一、研究背景

在21世紀，全球可穿戴設備市場向前邁出了一大步，為人類生活質量和便利性的提高創造了新的機遇。可穿戴設備的迅速發展趨勢極大地推動了高速檔柔性電源的發展，其具有高安全性、環保性、高能量和功率輸出以及超長循環壽命。在此背景下，“超鋰電池”（如鋅基、鎂基和鋁基電池）是促進鋅電池（具有本身安全水電解質）開發的理想選擇，特別是在頻繁與人體密切接觸的情況下。其中，鋅電池以其高能量輸出、高安全性、低成本和環境友好性而聞名，這是因為鋅金屬的高比容量（820 mAh·g–1）、本質安全性、自然豐富性和生態友好性，使其在先進設備方面具有廣闊的前景。

柔性水性鋅-空氣電池（FAZABs）由于其高能量密度、安全性和環境友好性引起了研究者極大的興趣。典型FAZABs通常由聚合物電解質制成，用作離子傳輸的電解質儲器和用于抑制內部短路的分離器。聚合物電解質的使用，還可以避免腐蝕性液體電解質的泄漏問題，以滿足對安全性和靈活性的追求。然而，聚合物基鋅空氣電池也面臨以下挑戰：（1）聚合物電解質的相對較低的離子電導率（與液體電解質相比）將增加電池的歐姆損失；（2）獨特的半開式電池結構對聚合物電解質的保水能力提出了巨大挑戰；（3）鋅陽極在循環過程中的穩定性對鋅陽極與聚合物電解質之間的界面穩定性提出了要求。

準固態凝膠聚合物電解質（QSGPEs）被視為FAZABs的最先進電解質，因具有液體狀離子傳導特性和固體狀內聚柔性，使其具備了高離子傳導性、高靈活性和抗傳統液體電解質泄漏問題的能力。并且QSGPEs中有限的游離水可以緩解活性物質的溶解。此外，利用QSGPEs作為粘合劑和分離器，有助于設備的完整性和簡化組裝過程。

QSGPEs由水溶性導電鹽溶脹的聚合物基體組成。常用的聚合物基體包括聚環氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸酯鈉（PANa）、聚丙烯酰胺（PAM）等；此外，還有一些生物聚合物，包括纖維素、藻酸鹽、明膠、瓊脂糖等。這些聚合物用親水基團（例如羧基、羥基、羰基和/或氨基）官能化，以通過氫鍵儲水。KOH由于其高離子電導率、高氧擴散系數以及低粘度，被認為是最常用的溶解鹽之一。迄今為止，FAZABs主要使用PVA–KOH QSGPEs制備，因其具有高化學穩定性、低成本和制造工藝簡單等優勢。然而，這種QSGPEs的環境穩定性低、耐堿性差、電池循環壽命差（10～20 h）。

二、研究成果

鑒于此，天津大學胡文彬教授、鐘澄教授和浙江大學陸俊教授合作報道了一種新型的磺酸鹽官能化納米復合材料QSGPE被應用于FAZABs中，具有高離子電導率、強堿性和高鋅陽極穩定性。值得注意的是，（1）QSGPEs的強陰離子磺酸鹽基團的存在，有助于暴露更耐鋅枝晶形成的優選Zn（002）面，（2）將納米凹凸棒石用作電解質添加劑，有利于增強離子導電性、電解質吸收和保持能力，使制備的FAZAB具有450 h的超長循環壽命。

相關研究工作以“Functionalized Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with Strong Alkaline-Tolerance and High Zinc Anode Stability for Ultralong-Life Flexible Zinc–Air Batteries”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

三、研究內容

圖1. 納米SFQ制備示意圖（a）； PVA–KOH和納米SFQ在原始狀態下浸入不同濃度KOH溶液中的照片（b）。

圖2. 納米SFQ、SFQ和PVA–KOH的FTIR圖譜（a）；納米SFQ的C1s（b）和S2p（C）的XPS光譜；納米SFQ的FESEM和EDX圖（d）；PVA–KOH、SFQ和納米SFQ的電解質吸收行為（e）、離子電導率（f）和電解質保持能力（g）；PVA–KOH和納米SFQ暴露在空氣不同時間后的照片（h）。

圖3. 基于納米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的FAZAB的電化學性能。在1 mA·cm–2時恒流放電–充電循環曲線，每個循環持續1h（a）；在不同電流密度（0.25、0.5、1、2、4和8 mA·cm–2）下的速率曲線（b）；恒電流放電曲線（c）；極化和相應的功率密度曲線（d）；納米SFQ基FAZAB與先前報道的FAZAB的循環壽命的比較（e）。

圖4.基于納米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的Zn–Zn對稱電池中，在1 mA·cm–2、0.5 mAh·cm–2下恒電流鍍鋅剝離（a）；使用納米SFQ（b）和PVA–KOH QSGPE（c）的循環鋅陽極的FESEM圖像；使用磺酸官能化QSGPE和商用鋅板的循環鋅陽極的XRD圖（d）;使用納米SFQ的循環鋅陽極的EBSD圖：取向映射（e）和反極圖（f）；鋅陽極（灰球）與PVA–KOH（g）和磺酸官能化QSGPE（h）之間界面的力學分析。

圖5. FAZAB的開路電位分布（a）；FAZAB在不同彎曲狀態下的恒流放電-電荷循環曲線（b）;連接的FAZAB為腕帶血壓監測儀供電的照片（c–d），電話和連接電池系列的恒電流放電曲線（e），柔性燈帶臂章（f）;導線型FAZAB的配置示意圖（g）;不同彎曲角度下的FAZAB電線照片（h）以及相應的恒電流放電-充電循環曲線（i）;可編織的FAZAB為可穿戴柔性發光二極管屏幕（j–k）和（l–m）手表供電的照片。

四、結論與展望

發展下一代可穿戴電子設備，一直是探索具有高能量密度和安全性的高性能柔性電源的強大推動力，其中FAZABs是最有前途的能源設備之一。QSGPEs是FAZABs的最先進電解質，同時實現高離子電導率和高柔性，具有高安全性，可抑制傳統液體電解質的泄漏問題。

在本研究中，一種新型的磺酸鹽官能化納米復合材料QSGPE被首次應用于FAZABs，具有高離子電導率、強堿耐受性和高鋅陽極穩定性。此外，所獲得的QSGPEs的強陰離子磺酸鹽基團有助于暴露優選的Zn（002）平面，其更耐鋅枝晶形成。將納米凹凸棒石用作電解質添加劑，有利于提高離子電導率、電解質吸收和保持能力。所有這些步驟使制備的FAZAB具有450 h的超長循環壽命，比傳統的PVA–KOH QSGPE更長。并且由兩個和三個FAZABs串聯/并聯單元制造的柔性能量帶和可編織能量線，可用于為各種可穿戴電子設備供電。

審核編輯 ：李倩