【摘 要】
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柔性可穿戴设备处于下一代电子设备的最前沿,其中最重要的组件之一就是可匹配的能量存储和转换系统作为电源,例如柔性锂离子电池（LIB）,超级电容器（SC）,太阳能电池,以及微型燃料电池等核心零部件。近年来,探索如何制造更适合且有效的电解质材料,优选电池配置和结构设计,开发具有更好电化学性能的柔性电源,最终实现柔性电子产品的集成,已经成为研究的热点。在广泛研究的电池体系中,水系锌离子电池具有高能量密度、
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柔性可穿戴设备处于下一代电子设备的最前沿,其中最重要的组件之一就是可匹配的能量存储和转换系统作为电源,例如柔性锂离子电池（LIB）,超级电容器（SC）,太阳能电池,以及微型燃料电池等核心零部件。近年来,探索如何制造更适合且有效的电解质材料,优选电池配置和结构设计,开发具有更好电化学性能的柔性电源,最终实现柔性电子产品的集成,已经成为研究的热点。在广泛研究的电池体系中,水系锌离子电池具有高能量密度、倍率性能好、正负极材料价格低廉,环境友好型电解液安全性高,组装方式简单、制造费用低等特点,在柔性穿戴安全储能方面优势明显。针对现有锌离子电解质离子电导率低、机械性能差、耐候性差、传统电解液封装不严密带来的安全性与电化学稳定性隐患等问题,本文提出一种自由基聚合制备PAM/P123锌离子电池双网络凝胶电解质的新方法。宏观上,系统研究了水凝胶热稳定性能和机械性能,微观上,探究了水凝胶的键合方式和微观结构,最终使用系列性能最优的PAM/P123-2凝胶电解质组装成扣式和软包电池进行电化学分析,该项研究有望广泛应用于各种柔性电池器件中。本文的主要研究内容如下:（1）提出并通过自由基聚合合成了PAM/P123系列双网络水凝胶电解质,通过傅立叶变换红外光谱证实交联形成了新的双网络结构水凝胶。通过SEM进行凝胶表面及截面形貌分析。通过计算溶胀率,分析了P123的加入量对凝胶吸液性能的影响,并通过TG和DSC将PAM/P123系列水凝胶热稳定性能与PAM水凝胶进行对比。最后通过拉升应力-应变和循环压缩加载卸载测试,进一步对比机械性能,为柔性电解质的实际使用提供实验基础。（2）提出并实现了一种以纳米花状的Mn O2/C为阴极,Zn箔片为阳极,PAM/P123-2双网络水凝胶为电解质的柔性锌离子电池,组装成纽扣式电池（CR2032）,进行相关的电化学测试。实验表明,PAM/P123双网络电解质在0°C时的最高电导率为36.2 m S cm-1,在-30°C～65°C范围内电导率均高于纯PAM电解质,并且在0°C～-20°C下高于先前报道的用于锌离子电池的水性电解质。使用PAM/P123-2凝胶电解质制备的柔性准固态Zn/Mn O2电池倍率性能优于PAM水凝胶电池,并在0°C下,0.6 A g-1充放电电流密度进行循环充放电测试,首次库伦效率可以达到97.24%,充放电稳定,1000次循环后容量保持率达82.39%。（3）将PAM/P123-2水凝胶电解质用于Zn-Mn O2软包电池,在常温下,0.6 A g-1充放电电流密度进行循环充放电测试,500次循环后,容量保持率达85.40%,单个软包电池在充电后能点亮额定电压为1.5 V的钨灯丝小灯泡,两个软包电池串联,能点亮额定电压为3 V的LED灯,良好的电化学稳定性和高溶胀率,使得PAM/P123-2水凝胶有望在柔性软包电池中代替电解液,解决软包电池由于铝塑膜包装不严密,造成的电解液漏液问题。
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