【摘 要】
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高性能的柔性储能装置不仅要具备高能量密度和高容量等优点,还要提高在实际应用中的可靠性和持久性。经研究发现纤维电池可满足上述需求而且很容易与纺织品结合,为可穿戴电子产品提供动力。然而,纤维电池在形变过程中容量会大幅度衰减甚至引发安全问题,因此需要采取有效的措施解决这些问题。为了更好的应用于可穿戴电子产品,纤维电池应致力于追求优异的柔韧性,可自愈,耐久性和优越的电化学性能等目标。在众多种类的纤维电池中
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高性能的柔性储能装置不仅要具备高能量密度和高容量等优点,还要提高在实际应用中的可靠性和持久性。经研究发现纤维电池可满足上述需求而且很容易与纺织品结合,为可穿戴电子产品提供动力。然而,纤维电池在形变过程中容量会大幅度衰减甚至引发安全问题,因此需要采取有效的措施解决这些问题。为了更好的应用于可穿戴电子产品,纤维电池应致力于追求优异的柔韧性,可自愈,耐久性和优越的电化学性能等目标。在众多种类的纤维电池中,锌离子纤维电池因同时具备高容量、易制备、安全环保等优势而备受关注。为了进一步提高其性能及可靠性,满足人们在可穿戴储能领域的需求,开发柔性可自愈的高性能锌离子纤维电池变得极为迫切。探究合适的阴极材料和研制具有自愈能力的电解质或材料对其发展至关重要。本文对以上两方面进行了更为深入的研究,具体内容如下:(1)以纺丝工艺为基础,制备了多壁碳纳米管-还原氧化石墨烯(MWCNTs-RGO)复合纤维。具有独特褶皱结构的MWCNTs-RGO复合纤维不仅有助于二氧化锰(MnO2)纳米片的电沉积,而且增强了该复合纤维的导电性。使用MnO2-MWCNTs-RGO复合纤维阴极,Zn-MWCNTs-RGO复合纤维阳极,2摩尔Zn SO4、0.1摩尔MnSO4和聚丙烯酰胺(PAM)组成的凝胶电解质以及羧化聚氨酯(CPU)基板制备可自愈的Zn-MnO2纤维电池。实验结果表明,可自愈的Zn-MnO2纤维电池具有优异的电化学性能,最大放电容量为190.9 m Ah g-1(0.3 A g-1),最大能量密度为190.9 Wh kg-1(或234.9 m Wh cm-3)。在电流密度为2 A g-1时,经过300次(弯曲150°)的充放电循环后,容量保持率为64%。而且纤维电池在5次切割愈合后(0.3 A g-1),容量可达初始容量的83%。这项工作为开发柔性可自愈的高性能锌离子纤维电池提供了新的方法。(2)针对可自愈的锌离子纤维电池的新型器件材料进行了研究。该纤维电池由电沉积钴锰氧(CoMn2O4)的碳纤维阴极,电沉积锌的碳纤维阳极以及2摩尔ZnSO4、0.1摩尔MnSO4、0.1摩尔CoSO4和PAM组成的凝胶聚合物电解质与CPU基板组成。该纤维电池在凝胶电解质中提供了255.2 m Ah g-1的放电容量(0.26 A g-1),能量密度为254.9Wh kg-1(266.7 W kg-1)。此外,这种具备柔性和可自愈的锌离子纤维电池在一系列大角度形变下依旧具有77.8 m Ah g-1(0.8 A g-1)的容量,并在第10次切割愈合过程后容量保持在71.9 m Ah g-1(0.8 A g-1)。这项工作为探索柔性可自愈锌离子纤维电池合适的阴极材料开辟了一条新的道路。
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