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水凝胶由于其粘弹性、生物相容性和离子电导的特点，可用于监测运动的柔性电子器件。但可穿戴器件中的锂离子电池也带来安全风险。而水系锌离子电池以其电解质无毒和生态友好性有望与传感器集成。因此电池的环境适应性及与柔性传感器的集成设计是开发长期信号监测的可穿戴电子产品的基础。其关键在于宽温水凝胶电解质的设计以及对系统内离子迁移的控制。
近日，西北工业大学马越课题组等人提出了一种一体策略，利用柔性、生物相容性水凝胶作为水系锌电池和应变传感器的离子传导介质，并组合构建自供电传感器件。利用优化的聚乙烯醇水凝胶（PSC）网络提高水凝胶机械拉伸性能，同时醇/水二元溶剂提高低温下的离子扩散性能。随着对Zn负极枝晶生长和副反应的抑制以及V2O5 正极的晶格呼吸减轻，Zn∥PSC∥V2O5电池在较宽的温度范围（−20 至 80 °C）内具有长期循环性。随后通过PDMS阻断电池和应变传感器之间的离子迁移，该集成微型设备可以准确检测到人体手指或喉咙的运动。在透射模式XRD监测正极负相变时，水凝胶应变传感器还可反映出因体积变化同步产生的应力。该文章发表在国际期刊ACS Nano上，博士研究生王治桥为本文第一作者，马越教授为通讯作者。
图3. 使用 (a) 2 M ZnCl2 电解质、(b) PVA-gel 和 (c) PSC-gel 在 0 ℃下初始循环时对 V2O5 正极进行透射模式XRD监测。(d)V2O5 正极在液体和 PSC 电解质中动态结构演变示意图
图6. (a) 用于测量 Zn 沉积/剥离引起的应力变化的装置示意图。(b) 通过对 Zn|PSC|V2O5 全电池进行原位 XRD(高低温软包电池XRD原位表征系统由北京中研环科科技有限公司提供) 测量获得的Zn (002) 反射强度变化图。(c) 相应的电池电压曲线和(d) 传感器电阻变化曲线。
原文链接：
Wang Z, Xue R, Zhang H, et al. A Hydrogel Electrolyte toward a Flexible Zinc-Ion Battery and Multifunctional Health Monitoring Electronics[J]. ACS nano, 2024.
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00085
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