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中山大学教授成功构建出全固态智能可充电锌空气电池

2019-05-29 来源:亚科官网
 
近年来,智能电子设备在人们日常的生产生活中扮演着愈发重要的角色。它们大部分由电池来供电。随着智能电子器件的日益复杂和应用范围的不断扩展,电池除了需要具有常规的供电功能,还被要求赋予更多新的特性。
 
目前,能够对不同的外界环境刺激如光、温度、力等产生响应的智能电池已成为了未来能源器件发展的一个重要研究方向。这种响应性多功能电池在自供能传感器、仿生机器人以及智能的能量管理系统等领域有着广阔的应用前景。然而,已报道的响应性电池仍受限于复杂的制备过程,较低的能量密度和安全性等问题。特别是它们普遍具有单一刺激响应的特征,难以满足在复杂外界环境下智能电子设备多元化的应用需求。目前,可充电锌空气电池由于其理论能量密度高,安全性好等优点,受到了人们广泛的关注。然而,大量的研究都仅集中于电池空气电极中高效、稳定的双功能氧催化剂的设计与合成。由于多功能集成的复杂性以及对氧电极催化剂和刺激响应单元设计和制备的苛刻要求,如何有效地设计并开发双重甚至多重刺激响应的智能可充电锌空气电池仍然是一个巨大的挑战。
 
针对上述挑战,中山大学的余丁山教授课题组设计并制备了一种基于嵌段共轭聚合物修饰的碳纳米管复合物的双功能氧催化剂“墨水”,并通过简单的溶液自组装方法将催化剂“墨水”均匀地负载到三维聚氨酯泡沫骨架上,从而获得了一类新颖的自支撑的三元复合材料电极。通过理性的界面设计和调控,充分挖掘了三种材料之间的协同效应,从而将氧还原-氧析出催化功能和力学、光学多重刺激响应特性完美地整合到单一的泡沫电极中。该电极不仅能有效地驱动氧催化反应,还能在压力、紫外光及太阳光的刺激下,分别产生电阻应变效应、光电转换效应和光热效应。该电极被用作一体化的多功能空气电极,成功地构建了一种压力、紫外光和太阳光三重响应的全固态智能可充电锌空气电池。当该电池被用作常规的储能器件时,显示了良好的充放电性能和循环稳定性。当受到不同的外部环境刺激时,电池内部的界面性质、电子/离子传输或氧化还原反应会得到相应的调制。因此,电池展现出优异的多重刺激响应特性。基于不同的刺激响应机理,该电池不仅能被用为可压缩的能量存储设备,实现了可控的能量存储和释放,而且还能够用作高精度和快速响应的自供能压力传感器、自供能的光学传感器以及光-电化学能转化体系。该研究为开发下一代智能的多功能电化学能源器件提供了良好的启发和借鉴意义。