高度灵活且结构稳定的定向导电框架用于耐变形锌离子电池

研究简介

具有高柔韧性和机械稳定性的定向导电框架可促进复杂形状电源中的电子和离子高效传输，从而提升下一代柔性电子产品的可靠性和功能性。本文提出了一种多向可变形且结构稳定的定向导电框架，该框架由聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚()苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)通过氢键相互作用介导，在多孔木质模板上自组装而成。该框架在三维空间中展现出优异的柔韧性，即使在经历5000次弯曲循环(角度：180°)和在水中浸泡6个月后，仍能恢复完整性并在各种变形下保持恒定的导电性。利用其独特的定向结构和灵活的弯曲能力，开发出一种柔性锌碘电池，其面积容量高达3.2mAhcm−2，能量密度高达3.8mWhcm−2。此外，该电池能够以20mAcm−2的大电流进行充放电，面积容量高达1.9mAhcm−2，远超现有的柔性锌离子电池。它在弯曲、扭曲和卷曲等各种变形条件下也展现出优异的电化学和机械稳定性，即使在锤击和反复弯曲的情况下也能为商用玩具车和柔性屏幕提供稳定的能量。这项工作推动了高性能、耐变形柔性电池的研发。

图文导读

图1. PEDOT:PSS-Wood取向导电网络框架作为柔性ZPPWIB高性能正极.a–c)PEDOT:PSS-Wood框架制备过程示意图，a)天然轻木、b)化学处理木材和c)PEDOT:PSS-Wood框架的层次结构。d)柔性ZPPWIB结构示意图。e)PEDOT:PSS-Wood正极的层次导电网络结构。f)雷达图比较了柔性ZPPWIB与其他报道的利用水凝胶电解质的柔性锌离子电池的一系列特性，包括柔韧性、容量保持率、比容量、最大循环次数和能量密度。

图2. PEDOT:PSS-Wood骨架的表征。a)化学处理的柔性木材和b)PEDOT:PSS-Wood骨架的SEM图，插图为相应的放大SEM图。c)PEDOT:PSS-Wood骨架的元素映射。d)化学处理木材、PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-Wood骨架的FT-IR。e)化学处理木材、PEDOT:PSS和PEDOT:PSS-Wood骨架的XRD。f)天然木材、化学处理木材和PEDOT:PSS-Wood骨架中纤维素、半纤维素和木质素的含量。g)PEDOT:PSS-Wood骨架在滚动、扭曲和抓握前后的照片。h)照片显示PEDOT:PSS-Wood框架在被锤子敲击(重量：5公斤)后的柔韧性。i)PEDOT:PSS-Wood框架的不同形状，包括水滴、星星、结和线圈。

图3. PEDOT:PSS-Wood框架的机械性能和结构稳定性。a)PEDOT:PSS-Wood框架沿X和Y轴弯曲的示意图，以及其沿Z轴承受压力的能力。b)天然木材、化学处理木材和PEDOT:PSS-Wood框架在拉伸试验下的应力-应变曲线。c)三点弯曲试验下天然木材、化学处理木材和PEDOT:PSS-Wood框架的弯曲模量变化。d)不同弯曲角度下和e)5000次弯曲循环（角度：180°）期间PEDOT:PSS-Wood框架的电阻变化率，插图：第0-20次、第2490-2510次和第4980-5000次循环对应的循环弯曲的电阻变化率。f)PEDOT:PSS-Wood框架在拉伸和弯曲试验中被锤击（重量：5kg）前后的应力-应变曲线。g)PEDOT:PSS-Wood框架的电导率和电阻变化，h)以及在水中长期浸泡六个月后杨氏模量和弯曲模量的变化。

图4.柔性ZPPWIB的电化学性能及工作机理。a)柔性ZPPWIB工作原理示意图。b)取向和c)随机结构中离子扩散示意图。d)PEDOT:PSS-Wood和PEDOT:PSS基锌碘电池的CV曲线和e)倍率性能。f)电流密度为1至20mAcm−2时ZPPWIB的GCD曲线。g)20mAcm−2时ZPPWIB的长期循环稳定性。h)与其他报道的柔性锌离子电池在最大电流密度下的面积容量比较。i)2mAcm−2时ZPPWIB的GCD曲线，插图：不同电压下酒精浸出液的照片。j)不同电压下酒精浸出液的紫外-可见光谱。k)PEDOT：PSS-Wood正极在其原始状态、1.5V完全充电状态和0.4V完全放电状态的拉曼光谱。

图5. 柔性ZPPWIB的柔韧性、可靠性及应用场景。a)柔性ZPPWIB在0~180°弯曲下的GCD曲线；b)保持180°弯曲下的循环性能。c)柔性ZPPWIB在0~1000次弯曲下的GCD曲线。d)柔性ZPPWIB在弯曲、扭曲和锤击条件下的容量和库仑效率图。e)单个电池、两个串联电池和两个并联电池的GCD曲线。f)单个ZPPWIB在平放、180°弯曲和锤击（重量：5kg）冲击条件下为湿度计供电的图像。g)两个串联ZPPWIB卷绕为玩具车供电。h)三个串联ZPPWIB在弯曲、扭曲和卷起条件下为柔性屏幕供电的图像。

研究结论

本研究通过氢键介导的PEDOT:PSS自组装，在多孔木材的定向微通道内制备了一种耐变形的定向导电网络。所得三维网络表现出优异的机械稳定性，在多轴弯曲变形下仍能保持其结构完整性.值得注意的是,PEDOT:PSS-Wood骨架在经过5000次弯曲循环后仍能保持其初始电导率的95%(ΔR/R0<5%)，并且在六个月的水浸过程中，其柔韧性和电性能均几乎没有下降。通过利用这种定向导电网络框架作为正极材料，我们开发出了一种高性能柔性ZPPWIB，其具有出色的面积容量(3.2mAhcm−2)、能量密度(3.8mWhcm−2)和功率密度（1.2mWcm−2）。值得注意的是，在20mAcm−2的电流密度下，该材料仍能保持1.9mAhcm−2的容量，并且在极端机械应力（180°弯曲）下，经过500次循环，容量保持率仍约为98%。这些发现为设计与下一代柔性电子产品兼容的机械强度高的储能系统奠定了基础。