隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，開(kāi)發(fā)能夠與之相匹配的高性能、低成本儲(chǔ)能器件迫在眉睫。同時(shí)，日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題促使人們不斷尋求更加清潔的能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存技術(shù)。近年來(lái)，水系鋅離子電池引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。它成本低、安全性高、兼具高能量密度和高功率密度、可快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能器件之一。然而，目前常用的電極材料大多由人工合成，存在原料不可再生、制備工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)量低等缺點(diǎn)。生物質(zhì)材料相比于合成材料，具有來(lái)源豐富、成本低、可再生、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，利用生物質(zhì)材料制備高性能儲(chǔ)能器件對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近日，四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧燦輝教授團(tuán)隊(duì)提出一種將漂浮在海面上的生物質(zhì)垃圾轉(zhuǎn)化為高性能鋅錳電池的方法，并將所制備的鋅錳電池與柔性太陽(yáng)能薄膜結(jié)合，集成為自供電可穿戴系統(tǒng)（如圖1所示）。利用生物質(zhì)垃圾內(nèi)部的“蜂窩狀”孔洞結(jié)構(gòu)，碳化后得到3D多孔電極材料。電極材料內(nèi)部的多級(jí)通道結(jié)構(gòu)有利于提高電化學(xué)活性物質(zhì)的負(fù)載量，同時(shí)也能促進(jìn)電解質(zhì)的擴(kuò)散和離子的傳輸。制備的Zn-MnO2電池具有優(yōu)異的儲(chǔ)能容量、良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，特別是使用安全性能十分出色，電池受多種外力破壞后仍可正常工作。通過(guò)進(jìn)一步與柔性太陽(yáng)能薄膜結(jié)合，構(gòu)建了一種自供電能量棒，并驗(yàn)證了該自供電系統(tǒng)在可穿戴和便攜式電子產(chǎn)品中的應(yīng)用潛力。

圖1. 利用海洋漂浮垃圾制備鋅錳電池及自供電系統(tǒng)示意圖

研究對(duì)象海洋漂浮垃圾（OG）具有類(lèi)似“蜂窩狀”的規(guī)整孔洞結(jié)構(gòu)，高溫碳化后這一結(jié)構(gòu)被很好保留。碳化后生物質(zhì)垃圾（COG）的大孔孔洞尺寸主要分布在100~500 μm之間（圖2a），大孔周?chē)€分布有大量的微小孔洞，尺寸主要分布在1~5 μm之間。電沉積的Zn納米片（平均厚度約為60 nm）和水熱沉積的MnO2（平均厚度約為20 nm）納米片均勻分布在通道的表面和內(nèi)部。

圖2. 電極材料的微觀形貌

測(cè)試結(jié)果表明，電極材料內(nèi)部的多級(jí)開(kāi)放通道結(jié)構(gòu)，有利于電解質(zhì)擴(kuò)散和離子轉(zhuǎn)移，使得該電極材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)活性物質(zhì)的高負(fù)載（51 mg/cm3）和高容量（306.7 mAh/g或15.1 mAh/cm3），以及良好的倍率性能（電流密度增大10倍，容量保持56.34%）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（3000次循環(huán)充放電后仍能保持95.2%的容量）。

圖3. 水系COG@MnO2//COG@Zn電池電化學(xué)性能

采用PVA/LiCl-ZnCl2-MnSO4凝膠作為電解質(zhì)組裝的COG@MnO2//COG@Zn準(zhǔn)固態(tài)電池，能量密度高達(dá)20.5 mWh/cm3或420.1 Wh/kg，而且可以在非常寬的溫度范圍（-20~100℃）內(nèi)安全工作，甚至受到一系列人為破壞（如穿刺、彎曲、錘擊、切割和剪切）后，電池依然可以正常工作，表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的安全性能。

圖4：COG@MnO2//COG@Zn準(zhǔn)固態(tài)電池電化學(xué)性能及安全性

將該準(zhǔn)固態(tài)鋅錳電池與柔性非晶硅太陽(yáng)能薄膜相結(jié)合，首次集成制得一種新型“自供電能量棒”。該自供電能量棒可以在室外/室內(nèi)不同的光照強(qiáng)度下高效實(shí)現(xiàn)能量的收集和儲(chǔ)存，并成功驅(qū)動(dòng)可穿戴電子設(shè)備（手表和徽章）。

圖5. 利用準(zhǔn)固態(tài)電池構(gòu)建自供電可穿戴系統(tǒng)

目前，相關(guān)研究工作主要圍繞新型電化學(xué)活性物質(zhì)的開(kāi)發(fā)來(lái)提升鋅離子電池的電化學(xué)性能。而本研究利用生物質(zhì)廢棄物自身特殊的多層次微觀結(jié)構(gòu)獲得更優(yōu)的性能。該方法具有簡(jiǎn)便、低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，為生物質(zhì)廢棄物的高值化利用和低成本制備高性能儲(chǔ)能器件提供了新思路。

該成果以“High-value utilization of biomass waste: from ocean floating garbage to high-performance rechargeable Zn-MnO2 batteries with superior safety” 為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影響因子11.301；DOI：org/10.1039/D0TA05926A）。

論文第一作者為四川大學(xué)高分子研究所博士生趙江琦和碩士生鄔宛霖，張偉副教授和盧燦輝教授為本文共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA05926A