水凝膠容易失效、環(huán)境適應(yīng)性差和電化學(xué)性能不理想等問題阻礙了其作為柔性電源裝置（PSD）關(guān)鍵部件的應(yīng)用。在此，通過三元體系設(shè)計(jì)了一種具有非凡強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性的PAA基水凝膠，該三元體系由單寧改性MXene（TA@MXene）、ZnCl2-纖維素和蘋果酸（MA）電解質(zhì)組成。 TA@MXene和ZnCl2-纖維素通過形成多重網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)水凝膠交聯(lián)，賦予水凝膠1.9 MPa的拉伸強(qiáng)度和620%的拉伸率。此外，由于水凝膠中有效的離子傳輸通道，水凝膠具有 38.4 mS·cm−1 的電導(dǎo)率。 MA電解質(zhì)通過形成酸電離系統(tǒng)提供穩(wěn)定的pH環(huán)境；此外，MA和高濃度ZnCl2溶液增強(qiáng)了其在極端環(huán)境下的電化學(xué)性能。使用所得水凝膠作為電解質(zhì)/電極組裝了三種典型的 PSD。所制備的超級電容器具有高比容量（173.5 mAh·g−1）、優(yōu)異的能量密度（208.2 Wh·kg−1）和出色的容量保持率（5000次循環(huán)后為92.1%）；柔性電池有效響應(yīng)應(yīng)變信號，開路電壓（Voc）為0.77 V；組裝后的 TENG 具有 110 V Voc（100% 拉伸變形）。我們提出了一種基于三元系統(tǒng)構(gòu)建先進(jìn)水凝膠的設(shè)計(jì)策略，該策略將促進(jìn)靈活的 PSD 走向?qū)嶋H應(yīng)用。
圖1.(a)中藥水凝膠制備示意圖。 MXene 和 TA@MXene 納米片的 (b) XRD、(c) 紫外-可見光譜和 (d) zeta 電位。 MA 溶液的 (e) H+ 濃度、(f) 電導(dǎo)率和 (g) 氧化還原電位 (ORP)。 (h) 凍干水凝膠的 SEM 圖像。 (i) 中藥水凝膠的離子遷移通道。
圖 2. (a - c) 顯示水凝膠優(yōu)異機(jī)械性能的照片。 (d -i) 不同 TA@MXene 和纖維素含量的水凝膠的拉伸/壓縮曲線和韌性。 (j) 中藥水凝膠與文獻(xiàn)報(bào)道的水凝膠的拉伸/壓縮強(qiáng)度的比較。拉伸應(yīng)變?yōu)?100 時(shí)水凝膠的連續(xù)循環(huán)曲線% (k) 和壓縮應(yīng)變 70% (l)，無休息間隔。
圖 3. (a) 中藥水凝膠的 DSC 圖譜。 (b) 照片顯示水凝膠在 -75°C 下承受不同的變形。 (c - e) 水凝膠在不同溫度-75 至 25°C 下的機(jī)械性能。 (f) 奈奎斯特圖（插圖：放大的高頻區(qū)域）和 (g) 不同溫度下中藥水凝膠的電導(dǎo)率。 (h) 水凝膠在 25°C 和 -75°C 下充當(dāng)導(dǎo)體的演示。 (i) 將水凝膠在 25°C 和 50% RH 下放置一周后的重量比。
圖4.(a)使用水凝膠作為電解質(zhì)的夾層型柔性TCM-ZIC的示意圖。 TCM-ZIC 的 (b) CV 和 (c) GCD 曲線。 (d) 不同溫度或電流密度下的容量保持率。 (e) 2 A·g−1 下的容量和庫侖效率圖。 (f) 三個(gè)連接的 TCM-ZIC 在不同破壞條件下為 LED 供電。 (g) 25℃下不同變形下的GCD曲線??(2 A·g−1)。 (h) 25°C 和 -50°C 下 2 A·g−1 下的容量保持率和庫侖效率（插圖：最后 10 個(gè)循環(huán)的 GCD 曲線）。 (i) 在 25 °C 和 -50 °C 下以 2 A·g−1 進(jìn)行 5000 次循環(huán)的長壽命循環(huán)性能。 (j) 雷達(dá)圖顯示了各種電解質(zhì)的綜合性能。
圖5.(a)基于TCM水凝膠的柔性電池/自供電傳感器示意圖。自供電傳感器的實(shí)時(shí)電流變化：（b）不同拉伸應(yīng)變（100% - 200%）下； (c) 不同壓縮應(yīng)變（20% - 80%）下和（d）不同溫度下（應(yīng)變：100%）。 (e) 自供電傳感器在 100% 應(yīng)變下連續(xù) 100 個(gè)周期的電流變化。 (f、g、h 和 i) 用于監(jiān)測人體運(yùn)動的自供電傳感器。
圖 6.(a) TCM-TENG 示意圖。 TCM-TENG (b) 在不同拉伸應(yīng)變 (20% - 100%) 下和 (c) 在不同溫度（-50、-25、0 和 25 °C）下的 Voc。 (d) TCM-TENG 連續(xù)運(yùn)行 ~100 個(gè)周期后的 Voc。 (e)照明“QLUFLI”LED燈板的等效工作電路。 （f）能量收集/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的詳細(xì)圖片和等效電路。 (g)不同壓力下TCM-TENG的示意圖。 (h)TCM-TENG表面筆跡示意圖。 W(i)和L(j)信號用于感測筆跡。
圖7. a 根據(jù)美國亞利桑那州鳳凰城（北緯 33.45°，西經(jīng) 111.98°）的天氣數(shù)據(jù)，使用四種類型窗戶的建筑模型的年度冷卻能耗。 b 使用這四種窗戶的建筑模型每月額外節(jié)省的冷卻能源。 c 根據(jù) 12 個(gè)城市的天氣數(shù)據(jù)，使用 0.5M2B 薄膜的建筑模型的年度冷卻節(jié)能和百分比。
相關(guān)科研成果由齊魯工業(yè)大學(xué)Gaojin Lyu，紐布倫斯威克大學(xué)Yonghao Ni等人于2024年發(fā)表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103483）上。原文：Ternary Systems Engineered Conductive Hydrogel with Extraordinary Strength, Environmental Adaptability and Excellent Electrochemical Performances for Flexible Power Supply Devices
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103483
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
