傳統(tǒng)的電化學(xué)儲能器件構(gòu)型主要是通過將隔膜夾在兩個電極之間并注入電解液來構(gòu)造的，即隔膜位于兩個電極之間，但三者之間是處于相互分離的狀態(tài)。當(dāng)器件處于彎曲狀態(tài)時，上述三種構(gòu)件由于不同的曲率半徑而在它們之間易產(chǎn)生相對位移或脫離，進而導(dǎo)致接觸電阻激增、電/離子傳輸阻滯，使電化學(xué)性能惡化。所以，傳統(tǒng)構(gòu)件分離式的器件構(gòu)型在將器件向高柔性方向拓展時具有較大的局限性。一體化構(gòu)型，是指將儲能器件的主要構(gòu)件(正、負極、隔膜)通過較強的相互作用集成為一個整體，使得相鄰組件之間實現(xiàn)連續(xù)無縫連接，保證了彎曲狀態(tài)下離子和電子的穩(wěn)定傳輸。因此，一體化的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計成為解決傳統(tǒng)分離式構(gòu)型所帶來的柔性受限問題的一把鑰匙，也對柔性儲能設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。
 

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室研究人員近年來基于所發(fā)展出的一種具有一體化結(jié)構(gòu)的超級電容器，為電化學(xué)儲能器件向輕薄化、高柔性等功能化方向拓展提供了新思路。近期，研究人員以高安全性水系鋅離子電池的一體化構(gòu)型設(shè)計為出發(fā)點，通過將鋅離子電池的各個構(gòu)件集成為一體，構(gòu)建出一種一體化結(jié)構(gòu)的水系鋅離子電池(圖1)。
 

　　在這種一體化鋅離子電池的設(shè)計中，高柔性和高韌性的聚酰胺微孔膜通過鋅負極表面的涂層緊密集成來形成，而中間內(nèi)置的由三氟甲烷磺酸鋅和聚酰胺組分構(gòu)成的涂層夾在鋅負極和聚酰胺隔膜之間，可以發(fā)揮多重作用：在粘合鋅負極和聚酰胺隔膜的同時，對負極表面的枝晶生長和副反應(yīng)的發(fā)生起到很好的抑制作用(圖2)。正極部分采用α-MnO2納米線和多壁碳納米管形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)負載在聚酰胺隔膜上，整個正極層本身充當(dāng)集流體，省去了額外的非活性組件，不僅實現(xiàn)整個電極的輕薄化，更能提升整個器件的質(zhì)量/體積能量密度。在終的一體化構(gòu)型中，相鄰成分層間具有較強的相互作用，保證了穩(wěn)固的界面接觸的同時也形成了無縫連接，避免了各層組件在彎曲狀態(tài)下產(chǎn)生的相對位移或分離，不僅提升了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性(循環(huán)5000次后的容量保持率達到89.4%)(圖3)，而且展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和柔韌性(彎曲1000次后的容量保持率>90%)(圖4)。該工作所采用的方法簡捷易行，且與現(xiàn)有電池制作工藝有較高的兼容性；在保證水系鋅離子電池所固有的高安全性與高離子電導(dǎo)率等優(yōu)勢的同時，能夠解決其所面臨的枝晶生長與彎曲受限等科學(xué)問題，為高安全性、高柔性和長壽命的水系電池的實際應(yīng)用提供了有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計范例。
 

　　相關(guān)研究結(jié)果以An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries為題發(fā)表在Nano Energy。該工作得到了科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)等項目的支持。
 

圖1.一體化構(gòu)型和傳統(tǒng)分離式構(gòu)型的水系鋅離子電池的構(gòu)造示意圖對比
 

圖2.一體化構(gòu)型對鋅負極枝晶生長與副反應(yīng)的抑制作用
 

圖3. 一體化構(gòu)型與傳統(tǒng)分離式構(gòu)型的電極在扣式鋅離子電池中的電化學(xué)性能對比
 

圖4. 一體化構(gòu)型的鋅離子電池在彎曲狀態(tài)下的電化學(xué)性能和演示