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水凝膠由于其粘彈性、生物相容性和離子電導的特點，可用于監(jiān)測運動的柔性電子器件。但可穿戴器件中的鋰離子電池也帶來安全風險。而水系鋅離子電池以其電解質無毒和生態(tài)友好性有望與傳感器集成。因此電池的環(huán)境適應性及與柔性傳感器的集成設計是開發(fā)長期信號監(jiān)測的可穿戴電子產(chǎn)品的基礎。其關鍵在于寬溫水凝膠電解質的設計以及對系統(tǒng)內離子遷移的控制。

近日，西北工業(yè)大學馬越課題組等人提出了一種一體策略，利用柔性、生物相容性水凝膠作為水系鋅電池和應變傳感器的離子傳導介質，并組合構建自供電傳感器件。利用優(yōu)化的聚乙烯醇水凝膠（PSC）網(wǎng)絡提高水凝膠機械拉伸性能，同時醇/水二元溶劑提高低溫下的離子擴散性能。隨著對Zn負極枝晶生長和副反應的抑制以及V2O5 正極的晶格呼吸減輕，Zn∥PSC∥V2O5電池在較寬的溫度范圍（?20 至 80 °C）內具有長期循環(huán)性。隨后通過PDMS阻斷電池和應變傳感器之間的離子遷移，該集成微型設備可以準確檢測到人體手指或喉嚨的運動。在透射模式XRD監(jiān)測正極負相變時，水凝膠應變傳感器還可反映出因體積變化同步產(chǎn)生的應力。該文章發(fā)表在國際期刊ACS Nano上，博士研究生王治橋為本文第一作者，馬越教授為通訊作者。

圖3. 使用 (a) 2 M ZnCl2 電解質、(b) PVA-gel 和 (c) PSC-gel 在 0 ℃下初始循環(huán)時對 V2O5 正極進行透射模式XRD監(jiān)測。(d)V2O5 正極在液體和 PSC 電解質中動態(tài)結構演變示意圖

圖6. (a) 用于測量 Zn 沉積/剝離引起的應力變化的裝置示意圖。(b) 通過對 Zn|PSC|V2O5 全電池進行原位 XRD(高低溫軟包電池XRD原位表征系統(tǒng)由北京中研環(huán)科科技有限公司提供) 測量獲得的Zn (002) 反射強度變化圖。(c) 相應的電池電壓曲線和(d) 傳感器電阻變化曲線。

原文鏈接：

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