傳統的電化學儲能器件構型主要是透過將隔膜夾在兩個電極之間並注入電解液來構造的，即隔膜位於兩個電極之間，但三者之間是處於相互分離的狀態。當器件處於彎曲狀態時，上述三種構件由於不同的曲率半徑而在它們之間易產生相對位移或脫離，進而導致接觸電阻激增、電/離子傳輸阻滯，使電化學效能惡化。所以，傳統構件分離式的器件構型在將器件向高柔性方向拓展時具有極大的侷限性。一體化構型，是指將儲能器件的主要構件（正、負極、隔膜）透過較強的相互作用整合為一個整體，使得相鄰元件之間實現連續無縫連線，保證了彎曲狀態下離子和電子的穩定傳輸。因此，一體化的器件結構設計成為解決傳統分離式構型所帶來的柔性受限問題的一把鑰匙，也對柔性儲能裝置的合理結構最佳化具有重要意義。

圖1. 一體化構型和傳統分離式構型的水系鋅離子電池的構造示意圖對比

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A05組近年來基於所發展出的一種具有一體化結構的超級電容器（Adv. Funct. Mater. 26: 8178-8184, 2016；中國發明專利：2013101370105, 2013101680826），為電化學儲能器件向輕薄化、高柔性等功能化方向拓展提供了新的思路。近期，該組博士生陳鵬輝在解思深院士和周維亞研究員的指導下，以高安全性的水系鋅離子電池的一體化構型設計為出發點，透過將鋅離子電池的各個構件整合為一體，構建出一種一體化結構的水系鋅離子電池（圖1）。

圖2. 一體化構型對鋅負極枝晶生長與副反應的抑制作用

在這種一體化鋅離子電池的設計中，高柔性和高韌性的聚醯胺微孔膜透過鋅負極表面的塗層緊密整合來形成，而中間內建的由三氟甲烷磺酸鋅和聚醯胺組分構成的塗層夾在鋅負極和聚醯胺隔膜之間，可以發揮多重作用：在粘合鋅負極和聚醯胺隔膜的同時，對負極表面的枝晶生長和副反應的發生起到很好的抑制作用（圖2）。正極部分採用α-MnO2奈米線和多壁碳奈米管形成網際網路絡狀結構負載在聚醯胺隔膜上，整個正極層本身充當集流體，省去了額外的非活性元件，不僅實現整個電極的輕薄化，更能提升整個器件的質量/體積能量密度。在最終的一體化構型中，相鄰成分層間具有較強的相互作用，保證了穩固的介面接觸的同時也形成了無縫連線，避免了各層元件在彎曲狀態下產生的相對位移或分離，不僅提升了倍率效能和迴圈穩定性（迴圈5000次後的容量保持率達到89.4%）（圖3），而且展現出了優異的電化學穩定性和柔韌性（彎曲1000次後的容量保持率＞90%）（圖4）。本工作所採用的方法簡捷易行，且與現有電池製作工藝有較高的相容性；在保證水系鋅離子電池所固有的高安全性與高離子電導率等優勢的同時，能夠解決其所面臨的枝晶生長與彎曲受限等科學問題；為高安全性、高柔性和長壽命的水系電池的實際應用提供了一個有效的結構設計範例。

圖3. 一體化構型與傳統分離式構型的電極在扣式鋅離子電池中的電化學效能對比

圖4. 一體化構型的鋅離子電池在彎曲狀態下的電化學效能和演示

相關研究結果以“An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries”為題發表在Nano Energy (74: 104905, 2020)上。

該工作得到了科技部（2018YFA0208402）、國家自然科學基金委（11634014, 51172271, 51372269）和中國科學院A類先導專項（XDA09040202）等的支援。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520304626