瞬态锌离子电池的构筑与性能研究

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瞬态电子技术是近年来新兴的前沿技术,通过该技术制备的器件可在生理条件下和液态环境下具备人为可控的降解能力,因此被称为“瞬态电子器件”。该技术可以使电子材料、组件和电路通过水解或自解以系统编程的方式在各种类型的环境中溶解或分解。瞬态电子器件不仅可以作为常规电子器件的替代者,还可以应用到某些特殊领域,如医疗诊断、信息存储及国防建设等。但是,关于瞬态器件的研究仍处于起步阶段,有许多挑战需要克服,特别是瞬态储能器件的开发相对较慢。本论文以锌离子电池储能机理为基础,结合瞬态电子技术,选择生物相容性好、可降解的材料体系,研究了瞬态锌离子电池(TZIB)的电化学及可控降解性质,并初步探索了TZIB在瞬态能源领域的应用前景。本论文的研究工作主要分为以下两个部分:(1)基于纤维素气凝胶-明胶电解质的可植入瞬态锌离子电池的构筑与性能研究。在这里,我们介绍了一种可植入、可生物降解的TZIB,其具有精心设计的纤维素气凝胶-明胶(CAG)准固态电解质和具有高热塑性的塑化丝素蛋白封装膜。新型完全可降解的CAG电解质使TZIB能够实现受控的降解和稳定的电化学性能,同时保持良好的机械性能。塑化丝素蛋白封装膜被用作水的非免疫扩散屏障,可在复杂的生物环境中显著延长电池寿命。无论是在蛋白酶K缓冲液还是在大鼠体内,在30天内均可降解。更重要的是,TZIB具有良好的电化学性能,同时满足了可控的降解要求,在61.6 m A g-1的电流和宽电压范围(0.85-1.9 V)下可提供211.5 m A h g-1的比容量。这些结果证明了TZIB在未来医学临床应用中的潜力,并为瞬态电子技术提供了新的平台。(2)基于塑化明胶-丝素蛋白电解质的湿敏、形状可控的瞬态锌离子电池的构筑与性能研究。在这里,我们报告了一种可成型、可生物降解的纤维型TZIB,该装置由对湿度敏感的塑化明胶-丝素蛋白电解质膜和双纱线电极结构组成。该瞬态储能装置显示出高比容量(311.7 m A h g-1)和长循环性能(100次循环后具有94.6%容量保持率)。更重要的是,纤维型TZIB装置具有出色的形状可塑性(80次弯曲后可保持82.5%的高容量)。基于这种特性,该储能装置可通过改变自身形状应用到不同场景,为不同可穿戴电子设备供电。纤维型TZIB电池系统的成功设计和制造为未来瞬态能源器件的开发提供了新的研究思路,并为国防、可穿戴等领域的瞬态电子产品带来了新的机遇。
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