水系碱性电池循环稳定性和自愈合特性有新进展

近日，哈尔滨工业大学深圳校区柔性印刷电子技术研究中心、材料科学与工程学院黄燕教授在水系碱性电池循环稳定性和自愈合特性上取得重大进展。研究成果分别发表于国际著名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials 影响因子：21.875）和《德国应用化学》（Angewante Chemie International Edition影响因子：12.102）。论文题目分别为“Solid-State Rechargeable Zn//NiCo and Zn-air Batteries with Ultra-Long Lifetime and High Capacity: the Role of a Sodium Polyacrylate Hydrogel Electrolyte”和“An intrinsically self‐healing NiCo//Zn rechargeable battery by self‐healable ferric‐ion‐crosslinking sodium polyacrylate hydrogel electrolyte”。

水系电池采用水作为电解质溶剂，解决了易燃有机电解质引起的安全问题，在柔性可穿戴电子领域受到研究者的重视。但是，水系电池存在一定的弊端。一方面，其凝胶电解质在电池充放电过程中易失水，使得离子导电率下降，电解质成分偏析，容量剧减，最终导致电池循环稳定性差；另一方面，在日常使用过程中，它们总是不可避免地受到各种变形和局部应力的影响，严重限制电池的寿命和可靠性，最终导致电子系统的故障。

针对上述问题，黄燕教授合成出新型聚丙烯酸钠基水凝胶电解质。

聚丙烯酸钠与水分子间的高相互作用能量使其具有超保水特性，同时丙烯酸酯负电荷基团在负极表面形成类SEI膜有效抑制枝晶形成。采用该电解质制备的柔性镍锌和锌空气电池都展现出了最长循环稳定性能，循环次数/时间比目前所有文献报道的结果高出8-40倍。此外，聚丙烯酸钠水凝胶分子链通过铁离子交联以促进整体网络的动态重建。这些非共价交联在水凝胶被切断时重新连接受损表面，为电池实现固有的自我恢复能力提供最终解决方案。因此，使用该水凝胶电解质的镍锌电池可自主自愈，在4次断裂/愈合循环后保留超过87％的容量。

黄燕教授的独创性成果大大解决了水系碱性电池的循环稳定性和本征自愈合问题，并且在这些指标上达到了一个新的高度。