高性能透明柔性锌离子固态电池（基于纳米管网络与水凝胶电解质）

高性能透明柔性锌离子固态电池（基于纳米管网络与水凝胶电解质）

研究内容

透明柔性电子学研究是一个充满活力且前景广阔的领域，在消费电子、医疗健康和可再生能源等众多创新应用领域具有巨大潜力。开发透明且不改变视觉外观的内部能源将极具益处。在本研究中，我们介绍了一种透明柔性锌离子固态电池（TFZSB）的设计，其所有组成元件（如电极、电解质 / 隔膜和封装材料）均由透明柔性材料制成。电极采用纳米管（NT）网络框架构建，电解质则由聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶材料构成。所提出的电极设计有效利用了纳米管网络出色的光学性能和柔韧性，同时通过整合聚丙烯酰胺水凝胶构建电解质并提供电学保护，形成了坚韧的界面，使其在不同机械应变下均具有优异的电化学稳定性。该透明柔性锌离子固态电池可见光光谱透过率超过 80%，在大尺度应变下库仑效率保持率超过 92%，质量比容量达 122.6mAh/g。这项研究是可穿戴智能电子领域的一项突破性进展，有望通过融合储能技术与柔性 / 透明特性，为未来开辟众多新机遇。

研究创新点

首创架构：设计并实现所有关键组件（电极、电解质/隔膜、封装材料）均由透明柔性材料制成的完整电池系统，是实现“透明且不改变视觉外观的内部能源”概念的关键突破。

电极设计创新：采用纳米管（NT）网络框架构建电极，利用其优异光学性能和柔韧性，解决柔性电极兼顾导电性、透明度和机械稳定性的难题。

电解质/隔膜设计创新：电解质由聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶材料构成，提供离子传输通道，且因固有柔韧性和透明性成为理想选择。

电极-电解质界面坚韧稳定：整合PAM水凝胶电解质，在电极（NT网络）与电解质间形成坚韧界面，确保电池在不同机械应变下电化学稳定性优异，是柔性电池实用化的关键。

综合性能卓越：高透明度，可见光光谱范围内透过率超80%；优异机械稳定性，大尺度应变下库仑效率保持率超92%；良好电化学性能，质量比容量达122.6 mAh/g。

提供可穿戴智能电子储能方案：是该领域突破性进展，融合储能技术与柔性/透明特性，解决可穿戴设备能源供给器件不透明、笨重或机械性能不足的问题。

开辟未来新机遇：有望为消费电子、医疗健康、可再生能源等众多创新应用领域开辟新可能。

总结：核心创新在于成功设计制备出全透明柔性锌离子固态电池，利用NT网络框架构建电极，采用PAM水凝胶作电解质/隔膜并形成坚韧界面，实现高透明度、优异机械稳定性和良好电化学性能的结合，为可穿戴智能电子设备提供理想集成式能源解决方案，应用前景广阔。

研究背景

近年来，借助材料科学等进步，透明柔性电子学引发学术界和工业界密集研发热潮。其结合光学与机械性能，兼具传统刚性电子产品功能，适配柔性基板且耐用，配套电源系统可独立运行，便于运输和集成到多种场景。与互补储能系统结合，更具开发美观高性能设备的潜力。

柔性透明电池要求所有组件具备优异光学性能和机械柔韧性，但传统不透明电极和隔膜成开发障碍。纳米网络电极和水凝胶材料因高导电性、透明性、柔韧性及负载活性材料能力，激发研究者兴趣，是开发透明柔性能源系统核心要素。

本研究提出并验证透明柔性锌离子固态电池（TFZSB）。借助纳米纤维网络特性构建双层电极结构，底层纳米管网络作集流体骨架，上层负载活性材料，确保电极柔韧性、光学性能及透明性，且制造工艺稳定机械界面。聚丙烯酰胺水凝胶促进组件接触，提供电化学稳定性，该电解质兼具多种功能。此工作是柔性透明电子器件领域关键进展，为克服传统电池局限提供有前景方案。

研究结果

图1. 透明柔性锌离子固态电池（TFZSB）的组成、制备与结构：

（a）TFZSB三维结构，展示坚固稳定界面的物理交联细节。

（b）TFZSB制备流程：用沉积处理后的银纳米管（AgNT）制得双层电极，聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶作电极缓冲与保护层。集成纳米管（NT）网络电极的SEM和EDS图像显示其含锰（Mn）、氧（O）、锌（Zn）、银（Ag）元素。之后将PAM水凝胶电解质组装入系统，形成完整TFZSB。

（c-f）分别是AgNT、Ag@Zn NT、Ag@MnO NT和PAM水凝胶的SEM图像。

（g-j）分别是AgNT、Ag@Zn NT、Ag@MnO NT和TFZSB在自然环境中的透明实物照。

图2. 纳米管电极光学与电学性能：

（a）AgNT、Ag@Zn NT、Ag@MnO NT照片及（b）对应光学透过率。

（c）纳米管网络SEM图及AgNT横截面（插图），显示200 nm中空管状结构。

（d）600 nm光入射时，直径200 nm单个Ag NT的TM（左）、TE（右）强度分布。

（e）不同样品（AgNT、Ag@Zn NT、Ag@MnO NT）的XRD图谱。

（f）（g）Ag@MnO NT和Ag@Zn NT在不同沉积时间下方阻与光学透过率关系。

（h）Ag@MnO NT和Ag@Zn NT电极电阻随弯曲半径变化。

（i）弯曲循环次数对Ag@MnO NT和Ag@Zn NT电极电阻变化的影响。

图3展示PAM水凝胶电解质光电特性：（a）PAM水凝胶合成结构；（b）（c）分别为PAM水凝胶及其电解质的SEM图像；（d）制备PAM水凝胶电解质的离子交换过程示意图；（e）PAM水凝胶电解质在不同机械应变下的照片；（f）PAM水凝胶、ZnSO₄/MnSO₄盐溶液及PAM水凝胶电解质的ATR-IR光谱；（g）PAM水凝胶电解质不同状态下的离子电导率，附不同温度奈奎斯特曲线插图。

图 4. 组装后透明柔性锌离子固态电池（TFZSB）电化学性能：

（a）不同扫描速率下 CV 曲线，插图示离子迁移机制。

（b）第 1、10、90 次循环 GCD 曲线。

（c）90 次循环后比容量与库仑效率稳定性，插图为电池实物照，区分工作与封装区域。

（d）光学透过率，插图示为电子手表供电过程（未通电 - 通电显示 - 通电运行）。

（e）TFZSB 与此前透明电池研究的光学透过率、比容量对比，实心/空心五角星分别代表实测质量/面积比容量。

图5. 不同机械应变下TFZSB电化学性能：

（a）-（c）电池在弯曲、拉伸、扭转状态照片，工作与封装区域清晰，应变过程无滑移。

（d）TFZSB不同弯曲角度下GCD曲线，附弯曲角度定义图。

（e）90°弯曲角度下，TFZSB经90次循环的比容量与库仑效率结果。

（f）TFZSB在50%、100%、150%拉伸应变及释放至初始状态的GCD曲线，附拉伸应变定义图。

（g）100%恒定拉伸应变下，TFZSB经90次循环的比容量与库仑效率评估。

（h）TFZSB第1次与第90次循环后释放至初始状态的GCD曲线，附扭转角度定义图。

（i）90°固定扭转角度下，TFZSB经90次循环的比容量与库仑效率检测结果。

研究结论

我们成功设计并构建了兼具优异光学和机械性能的透明柔性锌离子固态电池（TFZSB）。通过简单有效工艺，在纳米管网络骨架制备透明电极，用柔性透明聚丙烯酰胺水凝胶作缓冲保护层，平衡电极-电解质界面与水凝胶电解质。研究了TFZSB在机械应力下的电化学特性以验证其可行性与稳定性。其高透明性适合多种应用场景，有望革新可穿戴和柔性电子领域，提供安全、高性能且环保的电源。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143997