水凝胶容易失效、环境适应性差和电化学性能不理想等问题阻碍了其作为柔性电源装置（PSD）关键部件的应用。在此，通过三元体系设计了一种具有非凡强度和环境适应性的PAA基水凝胶，该三元体系由单宁改性MXene（TA@MXene）、ZnCl2-纤维素和苹果酸（MA）电解质组成。 TA@MXene和ZnCl2-纤维素通过形成多重网络促进水凝胶交联，赋予水凝胶1.9 MPa的拉伸强度和620%的拉伸率。此外，由于水凝胶中有效的离子传输通道，水凝胶具有 38.4 mS·cm−1 的电导率。 MA电解质通过形成酸电离系统提供稳定的pH环境；此外，MA和高浓度ZnCl2溶液增强了其在极端环境下的电化学性能。使用所得水凝胶作为电解质/电极组装了三种典型的 PSD。所制备的超级电容器具有高比容量（173.5 mAh·g−1）、优异的能量密度（208.2 Wh·kg−1）和出色的容量保持率（5000次循环后为92.1%）；柔性电池有效响应应变信号，开路电压（Voc）为0.77 V；组装后的 TENG 具有 110 V Voc（100% 拉伸变形）。我们提出了一种基于三元系统构建先进水凝胶的设计策略，该策略将促进灵活的 PSD 走向实际应用。
 
 
图1.(a)中药水凝胶制备示意图。 MXene 和 TA@MXene 纳米片的 (b) XRD、(c) 紫外-可见光谱和 (d) zeta 电位。 MA 溶液的 (e) H+ 浓度、(f) 电导率和 (g) 氧化还原电位 (ORP)。 (h) 冻干水凝胶的 SEM 图像。 (i) 中药水凝胶的离子迁移通道。
 
 
图 2. (a - c) 显示水凝胶优异机械性能的照片。 (d -i) 不同 TA@MXene 和纤维素含量的水凝胶的拉伸/压缩曲线和韧性。 (j) 中药水凝胶与文献报道的水凝胶的拉伸/压缩强度的比较。拉伸应变为 100 时水凝胶的连续循环曲线% (k) 和压缩应变 70% (l)，无休息间隔。
 
 
图 3. (a) 中药水凝胶的 DSC 图谱。 (b) 照片显示水凝胶在 -75°C 下承受不同的变形。 (c - e) 水凝胶在不同温度-75 至 25°C 下的机械性能。 (f) 奈奎斯特图（插图：放大的高频区域）和 (g) 不同温度下中药水凝胶的电导率。 (h) 水凝胶在 25°C 和 -75°C 下充当导体的演示。 (i) 将水凝胶在 25°C 和 50% RH 下放置一周后的重量比。
 
 
图4.(a)使用水凝胶作为电解质的夹层型柔性TCM-ZIC的示意图。 TCM-ZIC 的 (b) CV 和 (c) GCD 曲线。 (d) 不同温度或电流密度下的容量保持率。 (e) 2 A·g−1 下的容量和库仑效率图。 (f) 三个连接的 TCM-ZIC 在不同破坏条件下为 LED 供电。 (g) 25℃下不同变形下的GCD曲线​​(2 A·g−1)。 (h) 25°C 和 -50°C 下 2 A·g−1 下的容量保持率和库仑效率（插图：最后 10 个循环的 GCD 曲线）。 (i) 在 25 °C 和 -50 °C 下以 2 A·g−1 进行 5000 次循环的长寿命循环性能。 (j) 雷达图显示了各种电解质的综合性能。
 
 
图5.(a)基于TCM水凝胶的柔性电池/自供电传感器示意图。自供电传感器的实时电流变化：（b）不同拉伸应变（100% - 200%）下； (c) 不同压缩应变（20% - 80%）下和（d）不同温度下（应变：100%）。 (e) 自供电传感器在 100% 应变下连续 100 个周期的电流变化。 (f、g、h 和 i) 用于监测人体运动的自供电传感器。
 
 
图 6.(a) TCM-TENG 示意图。 TCM-TENG (b) 在不同拉伸应变 (20% - 100%) 下和 (c) 在不同温度（-50、-25、0 和 25 °C）下的 Voc。 (d) TCM-TENG 连续运行 ~100 个周期后的 Voc。 (e)照明“QLUFLI”LED灯板的等效工作电路。 （f）能量收集/转换系统的详细图片和等效电路。 (g)不同压力下TCM-TENG的示意图。 (h)TCM-TENG表面笔迹示意图。 W(i)和L(j)信号用于感测笔迹。
 
 
图7. a 根据美国亚利桑那州凤凰城（北纬 33.45°，西经 111.98°）的天气数据，使用四种类型窗户的建筑模型的年度冷却能耗。 b 使用这四种窗户的建筑模型每月额外节省的冷却能源。 c 根据 12 个城市的天气数据，使用 0.5M2B 薄膜的建筑模型的年度冷却节能和百分比。
   
      相关科研成果由齐鲁工业大学Gaojin Lyu，纽布伦斯威克大学Yonghao Ni等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103483

转自《石墨烯研究》公众号