『AM』南方科技大学林苑菁团队:用于长时间可穿戴设备的具有晶格匹配Zn/MoS2阳极的完全印刷和汗水激活微电池

学术   2024-10-17 08:00   湖北  
全文摘要
水系锌离子电池具有优良的操作安全性,有望成为可穿戴式储能设备。但其循环稳定性差,输出电压低,限制了其实际应用。在这里,南方科技大学林苑菁团队开发了完全可打印的Zn/MoS2-MnO2微型电池,并通过汗水激活显著增强了循环稳定性。利用二维二硫化钼与锌粉进行晶格匹配,实现具有理想稳定性的印刷锌阳极,并促进电子/离子转移。有趣的是,轻度酸性表皮汗液也有助于消除二氧化锰阴极副产物,补偿水凝胶电解质的水分损失。在电流密度为0.16 mA cm-2时,Zn/MoS2-MnO2微电池的比容量为318.9 µAh cm-2,能量密度为424.6 µWh cm-2,循环250次后的循环稳定性为≈90%。演示了电池内电致变色容量水平显示和可行的电子充电。具有创新汗液激活功能的打印微型电池将激发可穿戴设备可持续供电的进步。
图文速递


图1:含Zn/MoS2阳极的汗液活化微型电池示意图

A)微型电池的器件架构。B)Zn/MoS2/碳杂化油墨印刷阳极及充放电过程中均匀沉积Zn2+的晶格匹配机制。C)汗液激活增强MnO2阴极稳定性的机制。



图2:Zn/MoS2复合材料和混合油墨的形态和结构特征

A)MoS2、Zn粉末和Zn/MoS2之间的Zeta电位比较。(插图:MoS2悬浮液、Zn粉及其混合物的数字图像)。B)Zn粉末和 C)Zn/MoS2复合材料的SEM图像。D)MoS2纳米片、Zn粉末和Zn/MoS2复合材料的XRD图。E)TEM图像显示MoS2和Zn区域。F)TEM图像显示相应的MoS2晶格间距。G)不同油墨的储能模量和损耗模量。H)Zn和Zn/MoS2阳极与电解质的接触角测量。



图3:印刷Zn/MoS2阳极的电化学性能评价和形态学表征

A)对称电池在电流密度为2 mA cm-2和容量为1 mAh cm-2下的长期循环稳定性。(插图:Zn和Zn/MoS2对称电池在0-10小时和80-90小时之间的电压曲线)。B)Zn/MoS2对称电池相应的最近5次循环曲线。C)Zn/MoS2和Zn电极在1 M ZnSO4水溶液中5 mV s-1时的LSV曲线。D) 循环前后Zn/MoS2和Zn阳极的XRD图。E)容量为0.05 mAh cm-2的不同电流密度下的倍率性能。F)对称电池的EIS光谱。电流密度为1 mA cm-2时,Zn在G)Zn阳极和H)Zn/MoS2阳极上沉积的SEM和非原位光学显微镜观察。



图4:印刷Zn/MoS2-MnO2微型电池的电化学性能

Zn-MnO2和Zn/MoS2-MnO2电池的A)GCD曲线和B)长期循环稳定性,0.16 mA cm-2。C)各种电流密度下的倍率性能。D)微型电池与锌基负极和MnO2阴极的输出电位和能量密度比较。E)电容和扩散贡献与扫描速率的关系。F)Zn/MoS2-MnO2电池在弯曲和扭曲循环下的容量保持。单个和两个器件的GCD曲线:G)串联和H)并联。



图5:全印刷汗液激活微型电池的演示

A)汗液激活微型电池的示意图。B)微电池在不同汗液量渗透100次循环后的GCD曲线。汗液中主要成分的电化学性质:C)放电曲线;D)直流电阻;E)电化学阻抗谱。F)在贴体测试期间监测实际电压。G,H)志愿者骑健身自行车时,将Zn/MoS2-MnO2电池安装在手臂上的身体试验装置照片。I)电致变色器件(ECD)的示意图。J)在不同电压下ECD在可见光波长区域(400-700 nm)的透射率(插图:ECD的着色和漂白照片)。K)Zn/MoS2-MnO2平面微型电池用于设备的各种应用。

研究结论
具有高操作安全性和能量存储容量的水系Zn-MnO2电池的进步使其成为可穿戴和便携式应用的有前途的候选者。然而,将它们实际集成到可穿戴设备中遇到了一些挑战。首先,通常采用的锌箔作为阳极在很大程度上限制了电池的灵活性和小型化。其次,Zn阳极上的枝晶生长和副产物可能导致短路问题。第三,不可控的界面反应和Zn-Mn氧化物在阴极上的积累会导致容量降低。最后,用于柔性电池结构的水凝胶基电解质在长期运行过程中可能会流失水分,并且电池输出可能会受到影响。
为了应对上述挑战,本文开发了完全可打印且灵活的 Zn/MoS2-MnO2微型电池具有理想的循环稳定性,可实现持久可靠的供电。性能的提高主要归功于锌粉通过静电自组装被MoS2纳米片功能化的可印刷油墨,该油墨被用来构建高度可逆和柔性的锌阳极。低晶格失配促进了Zn的电子/离子转移和均匀成核,从而消除了枝晶生长。此外,首次提出利用汗液进行电池重新激活,这提供了一种延长可穿戴设备使用寿命的新策略。表皮汗液可以将水和离子补充到电解质中,同时,其弱酸性有助于维持稳定的pH值并动态减少MnO2阴极上的副产物。预制的水系Zn/MoS2-MnO2微型电池以理想的储能能力显著增强循环性能,并在具有表皮汗液活化功能的长时可穿戴设备中显示出其广阔的应用前景。此外,凭借在可打印制造方式中的设备配置和图案设计的卓越多功能性,它可以与电子设备集成,以方便充电和电池内电量显示。所提出的通过晶格匹配和创新汗液激活来合理修饰电池电极和调节电解液微环境的策略将激发可穿戴设备可持续供电的进步。
原文链接

Fully Printed and Sweat-Activated Micro-Batteries with Lattice-Match Zn/MoS2 Anode for Long-Duration Wearables

Xinyi Zhang,Linyu Hu,Kemeng Zhou,Linqing Zhang,Xiaolong Zeng,Yuqing Shi,Weizheng Cai,Jiazhen Wu,Yuanjing Lin*
https://doi.org/10.1002/adma.202412844



水系能源
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