【研究背景】
水凝胶由于其粘弹性、生物相容性和离子电导的特点，可用于监测运动的柔性电子器件。但可穿戴器件中的锂离子电池也带来安全风险。而水系锌离子电池以其电解质无毒和生态友好性有望与传感器集成。因此电池的环境适应性及与柔性传感器的集成设计是开发长期信号监测的可穿戴电子产品的基础。其关键在于宽温水凝胶电解质的设计以及对系统内离子迁移的控制。
【工作介绍】
近日，西北工业大学马越课题组等人提出了一种一体策略，利用柔性、生物相容性水凝胶作为水系锌电池和应变传感器的离子传导介质，并组合构建自供电传感器件。利用优化的聚乙烯醇水凝胶（PSC）网络提高水凝胶机械拉伸性能，同时醇/水二元溶剂提高低温下的离子扩散性能。随着对Zn负极枝晶生长和副反应的抑制以及V2O5 正极的晶格呼吸减轻，Zn∥PSC∥V2O5电池在较宽的温度范围（20 至 80 °C）内具有长期循环性。随后通过PDMS阻断电池和应变传感器之间的离子迁移，该集成微型设备可以准确检测到人体手指或喉咙的运动。在透射模式XRD监测正极负相变时，水凝胶应变传感器还可反映出因体积变化同步产生的应力。该文章发表在国际期刊ACS Nano上，博士研究生王治桥为本文第一作者，马越教授为通讯作者。
示意图1. 自供电应变传感器设计：(a)一体策略和(b)不同组件的结构；(c) 自供电传感模式及工作机制。
【内容表述】
作为关键的离子导电介质，提高水凝胶电解质的机械柔韧性和离子电导率，特别是在极端高/低温情况下，需要调节聚乙烯醇（PVA）框架以及离子溶剂化鞘。PVA线性聚合物骨架提供了阳离子的高溶剂化能力，PVA链段中存在大量羟基和氢键提供了机械弹性。进一步的冻融处理促进了 PVA 微晶域的交联，从而提高了机械强度。此外，添加 CNF和纳米SiO2颗粒与PVA网络通过分子间吸引力增强机械强度。为了平衡机械柔性和低温下的离子电导率，利用乙二醇/水二元溶剂系统重新配置 Zn2 溶剂化鞘层，削弱水分子间的相互作用。
图1. 水凝胶电解质的制备和表征：(a) PVA/nano-SiO2/CNF杂化水凝胶(PSC)形成示意图。(b) PSC水凝胶圆柱和半透明膜的照片。(c)PVA和PSC杂化膜的SEM图。(d)PVA 骨架、添加剂和PSC的 FTIR 光谱。PVA 和 PSC 水凝胶的(e) 应变扫描, (f)拉伸应力-应变曲线, (g)在不同温度（-20 至 80 ℃）下的离子电导率。(h) PSC 水凝胶的拉伸和扭曲状态照片。(i)低温 (-20 ℃) 下 PSC 水凝胶在弯曲和拉伸状态的红外热图像。
图2. 用不同电解质组装对称电池的电化学性能比较。(a)在电流密度为0.5~10 mA·cm-2时，锌对称电池的倍率性能。(b)在5 mA·cm-2、5mAh·cm-2沉积量下，使用PVA-Gel或PSC-Gel对称电池的室温循环性能。(c)在2MZnCl2液体电解液和(D)PSC-Gel中锌沉积的原位光学图像。
图3. 使用 (a) 2 M ZnCl2 电解质、(b) PVA-gel 和 (c) PSC-gel 在 0 ℃下初始循环时对 V2O5 正极进行透射模式XRD监测。(d) V2O5 正极在液体和 PSC 电解质中动态结构演变示意图。
图4. PSC 水凝胶作为应变传感器的演示。(a) 在电阻模式下工作的 PSC 水凝胶应变传感器的示意图。(b) PSC 水凝胶传感器的相对电阻变化与所施加的拉伸应变 (0–400%) 的函数关系。(c) PSC 水凝胶在不同拉伸应变下的相对电阻响应。(d) PSC 水凝胶传感器在 60% 应变下进行了 1000 次稳定性测试循环。
图5. (a)传感器装置的应用位置。(b)不同弯曲角度下传感器响应电阻曲线。(c, d)自供电设备粘附在手指上时的实时电阻变化。（e）吞咽和发音时传感器的实时电阻变化。(h) 一体式器件在不同弯曲角度下的比容量和库仑效率。
图6. (a) 用于测量 Zn 沉积/剥离引起的应力变化的装置示意图。(b) 通过对 Zn|PSC|V2O5 全电池进行原位 XRD 测量获得的Zn (002) 反射强度变化图。(c) 相应的电池电压曲线和(d) 传感器电阻变化曲线。
Wang Z, Xue R, Zhang H, et al. A Hydrogel Electrolyte toward a Flexible Zinc-Ion Battery and Multifunctional Health Monitoring Electronics[J]. ACS nano, 2024.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00085
通讯作者简介
马越 西北工业大学材料学院，长聘教授。入选陕西省杰青、省百人计划等。主持了多项国家自然科学基金、陕西省重点项目、国际合作交流项目，以第一/通讯作者在Advanced Materials、EES、Advanced Energy/Functional Materials、Chem, ACS Nano、Energy Storage Materials等刊物发表论文100余篇。研究方向主要包含化学电源关键材料的可控制备及界面改性方法，原位/在线相变表征技术，以及表界面反应的演化机制分析等。课题组因发展需要，长期计划招聘固态电池、纳米材料、原位表征等方向的博后及研究助理，参与交叉学科的研究，待遇优厚。欢迎应聘者根据自身背景进行申请。
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来源：学术期刊
