柔性电池在放电过程中不可避免地会经历频繁的弯曲，空气阴极是柔性电池的重要组成部分，因此，提升空气阴极的抗弯折性至关重要。传统空气阴极通常将混合催化剂、碳材料和粘合剂的浆料涂覆在柔性集流体表面来制备，然而大量实验表明，在柔性集流体表面上形成的脆性催化层在疲劳弯曲过程中极易出现开裂和脱落，影响电池的放电性能。
嘉兴南湖学院左雨欣课题组观察到桥梁等建筑物依靠网格结构的钢筋搭建提升自身稳定性。受此启发，课题组基于高精度电流体动力学方法打印技术，构建了一种包含二氧化锰和碳纳米管的功能性网格结构催化层。该研究旨在评估该新型催化层的抗弯折特性，并将其应用于柔性铝空气电池中，以评估其电化学性能。
研究表明，在疲劳弯曲过程中，网格结构催化层的相对电阻（）显著低于传统催化层，经过10,000次弯曲后，前者相对电阻约为8.5，而后者超过70。电化学测试结果显示，传统催化层在弯曲后起始电位显著增加，限制电流密度大幅下降，而网格结构催化层的起始电位变化小，限制电流密度仅有适度下降，维持了高效的催化活性。微观观察发现，传统催化层出现的裂纹主要垂直于弯曲方向，而网格结构催化层的断裂点分布均匀，活性材料脱落极少。
图1. (a). 网格结构催化层疲劳弯曲示意图。(b). 催化层的相对电阻变化。空气阴极（c）LSV和CV(d)曲线。传统催化层(e1-e3)和网格结构催化层(f1-f3)经过2000、5000、10000次循环疲劳弯曲后的损伤情况。
为了验证这一现象，课题组分别将催化层平行和垂直于弯曲方向放置，并在疲劳弯曲条件下测试其相对电阻。结果显示，平行放置的催化层在弯曲循环增加时，其相对电阻可达80，是垂直放置膜的7倍，而网格结构催化层的相对电阻几乎不受放置方向的影响。
图2 与弯曲方向平行和垂直放置的传统催化层（a）和网格结构催化层（b）的电阻变化。传统催化层（c）和网格结构催化层（d）的断裂机制。
课题组将网格结构催化层应用于柔性铝空气电池。实验结果显示，使用传统催化层的铝空气电池在经历10,000次疲劳弯曲后，放电电压迅速下降，功率密度下降53%。而采用网格结构催化层的电池，在弯曲后的电压和功率密度几乎不受影响，功率密度保持率高达92%的原始值。
图3. 采用传统催化层和网格结构催化层的铝空气电池C-V、功率密度和放电曲线，以及放电后的电极表面照片。
论文信息：
Electrohydrodynamic Printing Grid-Structured Catalytic Layers with Excellent Bending Resistance for Flexible Al-air Batteries
Yuxin Zuo, Ying Yu*, Junyan Feng, Chuncheng Zuo, Yong Lv
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202400875
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