背景介紹

隨著柔性和可拉伸電子產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對于集成高效的儲能設(shè)備的需求日益增加。這些設(shè)備可以承受變形，同時保持性能和安全性?；谝褕蟮赖目衫旌腿嵝詢δ茉O(shè)備，電池分為兩大類：單向可變形（可彎曲）電池，以鋰離子為主要化學(xué)成分，常被研究用于高功率和高容量應(yīng)用（>100 mAh）；全向可變形（軟）電池，適用于低功率和低容量應(yīng)用（<10 mAh），需要具有高舒適性、安全性和醫(yī)療兼容性。

近年來，在各種結(jié)構(gòu)配置和內(nèi)部可拉伸組件（包括電極、電解質(zhì)、集流體和隔膜）的開發(fā)方面取得了進(jìn)展。到目前為止，缺少的是可拉伸的封裝材料的發(fā)展。迄今為止，對固有可拉伸電池的研究使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、Ecoflex、聚氨酯 (PU) 和丁基橡膠作為包裝材料。但是，還沒有提出有效的可清洗和可拉伸的封裝材料和電池。非常需要探索能夠密封功能性可拉伸電池的新型包裝材料。

成果簡介

AEM：SIBS，打開柔性電池封裝材料的新局面！

英屬哥倫比亞大學(xué)John D. W. Madden（通訊作者）等人探索使用聚（苯乙烯-異丁烯-苯乙烯）（SIBS）——一種廣泛用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的三嵌段熱塑性共聚物，來制備水性可拉伸鋅-二氧化錳（Zn-MnO₂）二次電池。除了高化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性之外，由于異戊二烯和丁二烯單體單元在其中間嵌段中的受控分布，SIBS 提供了所有彈性體中最低的透濕性。

該工作展示了一種制造多層本征可拉伸 Zn-MnO₂電池的方法，使用 SIBS 作為統(tǒng)一的組件，實現(xiàn)所有電池層的可拉伸性，并提供元素之間的化學(xué)鍵。SIBS 具有最低彈性模量（大約3 MPa）， 0.24 g mm m^-2 day^-1 的水蒸氣透過率 (WVTRn) 和高伸長率（大約680%），可以作為四部分應(yīng)用：（1）彈性聚合物粘合劑（用于電極和集流體復(fù)合結(jié)構(gòu)中）；（2）一類新型多孔隔膜材料；（3）熱壓封裝層；（4）密封劑，以促進(jìn)多層可拉伸Zn-MnO₂電池結(jié)構(gòu)的粘合和密封。

圖文速遞

圖1. 不同集流體的特性和形態(tài) 碳黑與SIBS質(zhì)量比為4:10,記為SC；為了提高導(dǎo)電性，碳納米纖維以 1:10、2:10 和 3:10 的重量比添加到混合物中，記為SCC10、SCC20 和 SCC30

圖2. SIBS隔膜的加工與表征

圖3. 柔性電池的加工與表征

圖4. 柔性電池電化學(xué)性能測試

圖5. 柔性電池實際應(yīng)用的演示

總結(jié)展望

綜上所述，本研究報道了一種可拉伸的Zn/MnO₂電池，在彎曲、扭曲、拉伸和洗滌下表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能。電池電化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性的關(guān)鍵是使用 SIBS 彈性體作為密封劑、隔膜和粘合劑，這有助于組件的熱或溶劑誘導(dǎo)粘合。所得電池的活性材料容量為160 mAh g^-1。電池在 100% 應(yīng)變 150 次循環(huán)后功能完整，可清洗，甚至可以用作檢測機(jī)械載荷（彎曲、拉伸）的傳感器。SIBS可以類似地應(yīng)用于其他可拉伸的電化學(xué)儲能設(shè)備，包括鋰離子電池和超級電容器。

文獻(xiàn)信息

Washable and Stretchable Zn–MnO₂ Rechargeable Cell. Advanced Energy Materials,?2021, DOI: 10.1002/aenm.202103148.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103148.

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