摘要: 柔性锌空气电池(zinc-airbatteries,ZABs)因具有高能量密度、高安全性和良好的可逆性等优势很适宜作为人与环境交互界面的纺织储能器件。作为ZABs关键组成的电解质起着连接阴阳极并提供离子传输通道的作用。与液态、固态电解质相比，半固态的凝胶聚合... 展开 柔性锌空气电池(zinc-airbatteries,ZABs)因具有高能量密度、高安全性和良好的可逆性等优势很适宜作为人与环境交互界面的纺织储能器件。作为ZABs关键组成的电解质起着连接阴阳极并提供离子传输通道的作用。与液态、固态电解质相比，半固态的凝胶聚合物电解质(gelpolymerelectrolyte,GPE)具有安全性高，不易泄漏及柔韧性好等优点。但凝胶电解质也存在着一些缺点:离子电导率低。室温下，传统凝胶电解质的离子电导率仅为液态电解质的几分之一甚至几十分之一;机械性能差。无法满足柔性电源工作时频繁形变的需求;保水性能差。室温时，凝胶电解质极易脱水失效。为了应对传统凝胶电解质面临的挑战，本研究做了以下三部分实验工作: (1)采用冷冻熔融法，以三种不同比例的氢氧化钾(KOH)及聚乙烯醇(polyvinylalcohol,PVA)为原料，制备PVA-KOH复合凝胶电解质，重点考察了KOH与PVA比例对凝胶电解质形貌及性能的影响。结果表明，PVA-KOH凝胶电解质得以成功制备，表现出较好的力学性能和电化学性能。其中，PVA与KOH溶液质量配比为1∶1.5时，制备得到的凝胶电解质的孔隙密集均匀且孔隙率最高，适宜为离子传输提供通道。其断裂强度和断裂伸长率分别为1.64MPa和64.73％。同时，与其它比例的PVA-KOH凝胶电解质相比，此凝胶电解质离子电导率最高，达到了4.51Sm-1。以此凝胶电解质组装的柔性锌空气电池也表现出最优的电化学性能，其开路电压为1.27V,充放电电压差值约为1.3V。 (2)为缓解PVA-KOH凝胶电解质易失水干燥的问题，同时进一步提升电解质的离子电导率，利用细菌纤维素(bacterialcellulose,BC)这一新型纳米纤维材料生物相容性好的特点，采用一步原位生物合成法，将五种不同浓度的PVA添加到细菌纤维素培养液中，经过静置培养制得到了BC-PVA复合凝胶电解质。探索了PVA浓度对细菌纤维素基凝胶电解质的保水率及电化学性能的影响。扫描结果表明，制备的复合水凝胶内部的BC纤维与PVA分子之间相互缠绕或局部结晶而形成了孔洞，当PVA浓度为2％时，BC-PVA-2复合水凝胶的纤维直径以及孔隙大小最为均匀。对复合水凝胶进行物相分析，进一步证明PVA与BC可良好共生，且BC和PVA之间的OH基团存在着强相互作用，证实BC纤维与PVA主链通过氢键和机械缠绕形成了物理交联。BC-PVA-2复合水凝胶保水性能优异，保水率高达97.8％,且离子电导率最高，达14S·m-1。将复合水凝胶电解质组装成柔性锌空气电池，测试结果表明:BC-PVA-2基柔性锌空气电池开路电压最高,达到1.28V,功率密度最大，达9.21mW·cm-2。 (3)为进一步提升凝胶电解质的柔韧性，同时更好地保持凝胶电解质在碱性环境下的稳定性以适应锌空气电池要求，采用多组分共聚的方法，将聚丙烯酸钠(PANa)、BC与PVA共聚，制备出纤维基多组分共聚凝胶电解质。分析结果表明，制备的BC-PVA-PANa凝胶内部的孔隙大小均匀合适，且横截面也由纳米纤维网构筑出合适的层状结构，适宜为离子传输提供通道。BC-PVA-PANa的断裂伸长率以及吸水率均最高，分别达到242％和183.24％。交流阻抗测试表明，BC-PVA-PANa在强碱环境下表现出了最高的离子电导率，为18.57S·m-1。将其组装成柔性锌空气电池后进行性能测试，测试结果表明:开路电压为1.42V,峰值功率密度为12.3mW·cm-2,峰值功率密度对应电流密度为35mA·cm-2,表明BC-PVA-PANa基柔性锌空气电池具有良好的电化学性能。 收起