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  近日，蘇州大學(xué)能源學(xué)院的劉瑞遠教授團隊在《Small》期刊上發(fā)表題為“Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics”的綜述文章，第一作者是蘇州大學(xué)能源學(xué)院的三年級本科生翁高、上海理工大學(xué)的楊先中博士、蘇州大學(xué)能源學(xué)院的博士生王志氣。可穿戴電子器件的發(fā)展帶來了與之相匹配的柔性電源的需求。水系鋅離子儲能體系，主要包括鋅離子電池和鋅離子混合電容器，以其安全和廉價的突出優(yōu)勢是成為柔性化學(xué)電源合適的候選者。水凝膠由于其準固態(tài)的特征，兼具柔性和離子傳導(dǎo)性，是柔性化學(xué)電源的理想電解質(zhì)。該文章圍繞水凝膠電解質(zhì)的基本性質(zhì)，穩(wěn)定鋅負極和正極的效果，功能性水凝膠電解質(zhì)的設(shè)計三個方面，分析了水凝膠電解質(zhì)在柔性鋅離子儲能體系的研究進展。此外，文章還闡述了柔性鋅離子儲能體系在可穿戴電子器件的應(yīng)用，展望了未來的發(fā)展前景，為后續(xù)的相關(guān)研究指明方向。 

  作者首先闡述了水凝膠電解質(zhì)的基本性質(zhì)。作為電解質(zhì)，首先最需要關(guān)注的是水凝膠電解質(zhì)的機械性能，離子傳輸能力以及和鋅負極的界面結(jié)合緊密性。機械性能主要包括拉伸強度，壓縮強度和疲勞強度。離子傳輸能力則包括了離子導(dǎo)率和鋅離子遷移數(shù)。與鋅負極的緊密結(jié)合可以很好保證電解質(zhì)/電極界面在形變時不會分離，避免了柔性儲能體系因為形變所導(dǎo)致的電化學(xué)性能的衰減。通常水凝膠電解質(zhì)與正極材料的結(jié)合由于更大的接觸面積會更強，因此與鋅負極的結(jié)合緊密性更需要加以關(guān)注。

  隨后，對水凝膠電解質(zhì)穩(wěn)定鋅負極和正極的效果方面進行了分析與總結(jié)。鋅負極處由于表面形貌的不平整和較低的氧化還原電位，存在著枝晶生長和副反應(yīng)的發(fā)生這兩個問題，它們很大程度上限制了鋅負極的可逆性。水凝膠電解質(zhì)可以通過高模量機械抑制枝晶生長，調(diào)控鋅離子流，誘導(dǎo)均勻成核，抑制活性水分子，誘導(dǎo)（002）晶面取向沉積，優(yōu)化界面組成成分這六種途徑來穩(wěn)定鋅負極。對于正極來說，相較鋅離子混合電容器所常用的較為穩(wěn)定的活性炭材料，鋅離子電池的正極材料的穩(wěn)定性更需要加以關(guān)注。針對鋅離子電池正極材料，水凝膠電解質(zhì)可以通過抑制活性水分子，同離子效應(yīng)限制正極水解，優(yōu)化界面組成成分這三種途徑來提升正極處的穩(wěn)定性。

  接下來對水凝膠電解質(zhì)的功能性設(shè)計進行了分析。多功能的水凝膠電解質(zhì)可以賦予柔性鋅離子儲能體系對于不同工作環(huán)境的適應(yīng)能力，主要有低溫耐受性，高溫耐受性，高溫自終止保護機制，自愈合能力，防水能力以及可持續(xù)可降解這六種特性。前五個方面囊括了絕大多數(shù)可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用場合，而最后一點則聚焦于廢棄的水凝膠電解質(zhì)的處理上。
文章還對器件的結(jié)構(gòu)和在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用進行了分析。柔性鋅離子儲能體系的器件結(jié)構(gòu)主要有薄片形和纖維形。薄片形柔性鋅離子儲能體系含有三明治結(jié)構(gòu)和插指式結(jié)構(gòu)，而纖維形柔性鋅離子儲能體系包括同軸結(jié)構(gòu)，平行結(jié)構(gòu)和纏繞結(jié)構(gòu)。它們在可穿戴電子器件中的應(yīng)用主要包括連接模式和集成模式。連接模式是第一階段，將柔性電源與已有的器件連接以供電。集成模式是第二階段，也將會成為未來的主流，此時柔性鋅離子儲能體系與其他元件組成一個一體化的系統(tǒng)并扮演著不可或缺的角色。

  最后，文章從以上幾個方面指出了相應(yīng)的問題和挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向進行了展望。 

  該工作是劉瑞遠教授團隊近期關(guān)于可穿戴能源材料與器件的最新進展之一。最近的五年中，團隊聚焦于可穿戴電子器件的供電需求，開發(fā)了系列高效柔性能量捕獲器件（Advanced Materials 2023, 35, 202305438；Advanced Energy Materials 2023, 13, 2204091；Nano Energy 2023, 106, 108081；Advanced Materials 2018, 30, 1705195；Advanced Materials 2018, 30, 1705918）和傳感器件（Nano Energy 2022, 95, 106991；Nano Energy 2022, 95, 107056；Advanced Functional Materials 2018, 28, 1705808；Materials Today 2018, 21, 216）；面向從工作環(huán)境中獲取能量用于器件運行的柔性自供電系統(tǒng)（Progress in Materials Science 2023, 138, 101156），團隊也系統(tǒng)探索了集成發(fā)電和儲能裝置的柔性自充電電源（Nature Review Materials 2022, 7, 870; Advanced Energy Materials 2020, 10, 2000523）。

  原文鏈接：https://doi/10.1002/smll.202303949

  團隊長期招聘博士后和科研助理，研究方向包括但不限于柔性能量捕獲/傳感器件、功能材料、可穿戴電子器件等，有意者請聯(lián)系劉老師：ryliu@suda.edu.cn。

  劉瑞遠教授課題組主頁：http://flexible.energy.suda.edu.cn/main.htm

  下載：Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics