纱线状镍电极及柔性镍锌织物电池的制备与性能研究

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柔性可充电镍锌(Ni-Zn)电池被认为是智能服装内置柔性安全储能装置的有力候选者,但传统的三明治柔性结构存在着柔性有限和与服装结合困难等问题。一维纤维状柔性Ni-Zn电池具有全方位的可变形性和更小的尺寸,可通过机织或缝制的方式与现有服装进行兼容结合,但制备过程复杂,且目前的还做不到与服装进行灵活结合。在此基础上,我们提出了分离式平行排列的柔性Ni-Zn织物电池的设计思路。通过自搭建的纱线电化学沉积装置,制备了一种具有高导电性、高循环耐久性、高灵活性的芯壳结构镀银锦纶纤维@镍@镍钴双氢氧化物(silver-coated nylon fibers@nickel@nickel-cobalt layered double hydroxides,SCNF@Ni@NiCo LDHs)纱线电极,然后与镀银锦纶纤维@锌(SCNF@Zn)纱线电极以分离式的蛇形平行排列缝制到可拉伸的针织物衬底中,组装成一种柔软可拉伸、安全、低成本、轻量、可多种形式扩展集成的柔性Ni-Zn织物电池。该设计思路既保持了一维电极直径小的优点,也简化了柔性电池的制备和组装流程。研究发现,当Ni和NiCo LDHs的电沉积时间分别为300 s和200 s时,SCNF@Ni@NiCo LDHs纱线电极的机械灵活和电化学性能达到最佳平衡,具有颗粒状Ni中间层和岛状NiCo LDHs壳层,分别为纱线电极提供高的电导率和弯曲变形的缓冲空间。SCNF@Ni@NiCo LDHs纱线电极在0.1 m A cm-1的电流密度输出下具有20.02μAh cm-1的长度比容量(等价于0.92 m A mg-1的电流密度下具有183.35 m A h g-1的质量比容量),电流密度增大50倍时具有53.41%的高容量保持率,500次充放电循环后容量保持率为60.24%。由此组装的准固态纱线电池,在0.25 m W cm-1的功率密度下能量密度极高,为27.214μWh cm-1(等价于在2.29 k W kg-1的功率密度下能量密度为249.2 Wh kg-1),且功率密度最高可达2m W cm-1(18.315 k W kg-1)。最终制成的柔性Ni-Zn织物电池,在拉伸66%的情况下能保持91.8%的容量,弯曲和折叠后电池充放电性能仅出现小幅下降,可成功为一个LED灯和一个脉搏监测袖口进行供电。柔性Ni-Zn织物电池具有轻便、安全、灵活、可拉伸、可扩展、可拆卸等特点,有望克服与智能服装内置安全电源相关的几何挑战。
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