近日，蘇州大學能源學院的劉瑞遠教授團隊在《Small》期刊上發表題為“Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics”的綜述文章，第一作者是蘇州大學能源學院的三年級本科生翁高、上海理工大學的楊先中博士、蘇州大學能源學院的博士生王志氣。可穿戴電子器件的發展帶來了與之相匹配的柔性電源的需求。水系鋅離子儲能體系，主要包括鋅離子電池和鋅離子混合電容器，以其安全和廉價的突出優勢是成為柔性化學電源合適的候選者。水凝膠由于其準固態的特征，兼具柔性和離子傳導性，是柔性化學電源的理想電解質。該文章圍繞水凝膠電解質的基本性質，穩定鋅負極和正極的效果，功能性水凝膠電解質的設計三個方面，分析了水凝膠電解質在柔性鋅離子儲能體系的研究進展。此外，文章還闡述了柔性鋅離子儲能體系在可穿戴電子器件的應用，展望了未來的發展前景，為后續的相關研究指明方向。
作者首先闡述了水凝膠電解質的基本性質。作為電解質，首先最需要關注的是水凝膠電解質的機械性能，離子傳輸能力以及和鋅負極的界面結合緊密性。機械性能主要包括拉伸強度，壓縮強度和疲勞強度。離子傳輸能力則包括了離子導率和鋅離子遷移數。與鋅負極的緊密結合可以很好保證電解質/電極界面在形變時不會分離，避免了柔性儲能體系因為形變所導致的電化學性能的衰減。通常水凝膠電解質與正極材料的結合由于更大的接觸面積會更強，因此與鋅負極的結合緊密性更需要加以關注。
隨后，對水凝膠電解質穩定鋅負極和正極的效果方面進行了分析與總結。鋅負極處由于表面形貌的不平整和較低的氧化還原電位，存在著枝晶生長和副反應的發生這兩個問題，它們很大程度上限制了鋅負極的可逆性。水凝膠電解質可以通過高模量機械抑制枝晶生長，調控鋅離子流，誘導均勻成核，抑制活性水分子，誘導（002）晶面取向沉積，優化界面組成成分這六種途徑來穩定鋅負極。對于正極來說，相較鋅離子混合電容器所常用的較為穩定的活性炭材料，鋅離子電池的正極材料的穩定性更需要加以關注。針對鋅離子電池正極材料，水凝膠電解質可以通過抑制活性水分子，同離子效應限制正極水解，優化界面組成成分這三種途徑來提升正極處的穩定性。
接下來對水凝膠電解質的功能性設計進行了分析。多功能的水凝膠電解質可以賦予柔性鋅離子儲能體系對于不同工作環境的適應能力，主要有低溫耐受性，高溫耐受性，高溫自終止保護機制，自愈合能力，防水能力以及可持續可降解這六種特性。前五個方面囊括了絕大多數可穿戴電子設備的應用場合，而最后一點則聚焦于廢棄的水凝膠電解質的處理上。
文章還對器件的結構和在可穿戴電子設備中的應用進行了分析。柔性鋅離子儲能體系的器件結構主要有薄片形和纖維形。薄片形柔性鋅離子儲能體系含有三明治結構和插指式結構，而纖維形柔性鋅離子儲能體系包括同軸結構，平行結構和纏繞結構。它們在可穿戴電子器件中的應用主要包括連接模式和集成模式。連接模式是第一階段，將柔性電源與已有的器件連接以供電。集成模式是第二階段，也將會成為未來的主流，此時柔性鋅離子儲能體系與其他元件組成一個一體化的系統并扮演著不可或缺的角色。
最后，文章從以上幾個方面指出了相應的問題和挑戰，并對未來的發展方向進行了展望。
該工作是劉瑞遠教授團隊近期關于可穿戴能源材料與器件的最新進展之一。最近的五年中，團隊聚焦于可穿戴電子器件的供電需求，開發了系列高效柔性能量捕獲器件（Advanced Materials 2023, 35, 202305438；Advanced Energy Materials 2023, 13, 2204091；Nano Energy 2023, 106, 108081；Advanced Materials 2018, 30, 1705195；Advanced Materials 2018, 30, 1705918）和傳感器件（Nano Energy 2022, 95, 106991；Nano Energy 2022, 95, 107056；Advanced Functional Materials 2018, 28, 1705808；Materials Today 2018, 21, 216）；面向從工作環境中獲取能量用于器件運行的柔性自供電系統（Progress in Materials Science 2023, 138, 101156），團隊也系統探索了集成發電和儲能裝置的柔性自充電電源（Nature Review Materials 2022, 7, 870; Advanced Energy Materials 2020, 10, 2000523）。
原文鏈接：https://doi/10.1002/smll.202303949
團隊長期招聘博士后和科研助理，研究方向包括但不限于柔性能量捕獲/傳感器件、功能材料、可穿戴電子器件等，有意者請聯系劉老師：ryliu@suda.edu.cn。
劉瑞遠教授課題組主頁：http://flexible.energy.suda.edu.cn/main.htm
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