CNF增强三元水凝胶电解质助力高性能柔性锌空气电池开发

本文创新性地开发了基于聚丙烯酰胺/羧甲基纤维素/纤维素纳米纤维（PAM/CMC/CNF）的三元复合水凝胶电解质，通过CNF的引入显著提升了水凝胶的机械性能（250%拉伸应变）、保水能力（48小时后仍保持43.4%含水量）和离子电导率（0.290 S/cm）。该电解质在碱性（6 M KOH/0.2 M Zn(CH3COO)2）和中性（4 M KCl）环境中均展现出优异性能，分别实现82.58 mW/cm2功率密度和35小时稳定放电，为柔性锌空气电池（ZABs）的实际应用提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

本研究成功制备了基于聚丙烯酰胺/羧甲基纤维素/纤维素纳米纤维（PAM/CMC/CNF）的三元复合水凝胶电解质。实验结果表明，CNF的引入显著提升了水凝胶的综合性能：吸水能力达到1043.8%，48小时后仍能保持43.4%的含水量；在54.64 kPa应力下展现250%的拉伸应变；离子电导率高达0.290 S/cm。当与碱性电解液（6 M KOH/0.2 M Zn(CH₃COO)₂）配合使用时，电池展现出82.58 mW/cm²的高功率密度和30小时的稳定循环寿命。特别值得注意的是，在中性条件（4 M KCl溶液）下，电池在2 mA/cm²电流密度下可稳定放电25小时，并在35小时内维持1.26 V的低电压范围，表现出卓越的循环耐久性和电压恢复能力。

Conclusions

本研究聚焦于高性能锌空气电池（ZABs）电解质的开发，成功制备了基于PAM/CMC/CNF的三元复合水凝胶电解质。系统的实验研究表明，该复合水凝胶在电化学性能、机械性能和保水能力等方面均获得显著提升，为优化柔性锌空气电池性能提供了有力支撑。实验结果证实，CNF的引入不仅优化了水凝胶的结构完整性，更显著提升了柔性锌空气电池的电化学性能，特别是在中性环境中能有效抑制锌阳极枝晶生长，从而延长电池使用寿命。这项研究为开发下一代柔性电子设备的能源存储系统提供了新的理论依据和技术路径。