水凝膠容易失效、環境適應性差和電化學性能不理想等問題阻礙了其作為柔性電源裝置（PSD）關鍵部件的應用。在此，通過三元體系設計了一種具有非凡強度和環境適應性的PAA基水凝膠，該三元體系由單寧改性MXene（TA@MXene）、ZnCl2-纖維素和蘋果酸（MA）電解質組成。 TA@MXene和ZnCl2-纖維素通過形成多重網絡促進水凝膠交聯，賦予水凝膠1.9 MPa的拉伸強度和620%的拉伸率。此外，由于水凝膠中有效的離子傳輸通道，水凝膠具有 38.4 mS·cm−1 的電導率。 MA電解質通過形成酸電離系統提供穩定的pH環境；此外，MA和高濃度ZnCl2溶液增強了其在極端環境下的電化學性能。使用所得水凝膠作為電解質/電極組裝了三種典型的 PSD。所制備的超級電容器具有高比容量（173.5 mAh·g−1）、優異的能量密度（208.2 Wh·kg−1）和出色的容量保持率（5000次循環后為92.1%）；柔性電池有效響應應變信號，開路電壓（Voc）為0.77 V；組裝后的 TENG 具有 110 V Voc（100% 拉伸變形）。我們提出了一種基于三元系統構建先進水凝膠的設計策略，該策略將促進靈活的 PSD 走向實際應用。
圖1.(a)中藥水凝膠制備示意圖。 MXene 和 TA@MXene 納米片的 (b) XRD、(c) 紫外-可見光譜和 (d) zeta 電位。 MA 溶液的 (e) H+ 濃度、(f) 電導率和 (g) 氧化還原電位 (ORP)。 (h) 凍干水凝膠的 SEM 圖像。 (i) 中藥水凝膠的離子遷移通道。
圖 2. (a - c) 顯示水凝膠優異機械性能的照片。 (d -i) 不同 TA@MXene 和纖維素含量的水凝膠的拉伸/壓縮曲線和韌性。 (j) 中藥水凝膠與文獻報道的水凝膠的拉伸/壓縮強度的比較。拉伸應變為 100 時水凝膠的連續循環曲線% (k) 和壓縮應變 70% (l)，無休息間隔。
圖 3. (a) 中藥水凝膠的 DSC 圖譜。 (b) 照片顯示水凝膠在 -75°C 下承受不同的變形。 (c - e) 水凝膠在不同溫度-75 至 25°C 下的機械性能。 (f) 奈奎斯特圖（插圖：放大的高頻區域）和 (g) 不同溫度下中藥水凝膠的電導率。 (h) 水凝膠在 25°C 和 -75°C 下充當導體的演示。 (i) 將水凝膠在 25°C 和 50% RH 下放置一周后的重量比。
圖4.(a)使用水凝膠作為電解質的夾層型柔性TCM-ZIC的示意圖。 TCM-ZIC 的 (b) CV 和 (c) GCD 曲線。 (d) 不同溫度或電流密度下的容量保持率。 (e) 2 A·g−1 下的容量和庫侖效率圖。 (f) 三個連接的 TCM-ZIC 在不同破壞條件下為 LED 供電。 (g) 25℃下不同變形下的GCD曲線??(2 A·g−1)。 (h) 25°C 和 -50°C 下 2 A·g−1 下的容量保持率和庫侖效率（插圖：最后 10 個循環的 GCD 曲線）。 (i) 在 25 °C 和 -50 °C 下以 2 A·g−1 進行 5000 次循環的長壽命循環性能。 (j) 雷達圖顯示了各種電解質的綜合性能。
圖5.(a)基于TCM水凝膠的柔性電池/自供電傳感器示意圖。自供電傳感器的實時電流變化：（b）不同拉伸應變（100% - 200%）下； (c) 不同壓縮應變（20% - 80%）下和（d）不同溫度下（應變：100%）。 (e) 自供電傳感器在 100% 應變下連續 100 個周期的電流變化。 (f、g、h 和 i) 用于監測人體運動的自供電傳感器。
圖 6.(a) TCM-TENG 示意圖。 TCM-TENG (b) 在不同拉伸應變 (20% - 100%) 下和 (c) 在不同溫度（-50、-25、0 和 25 °C）下的 Voc。 (d) TCM-TENG 連續運行 ~100 個周期后的 Voc。 (e)照明“QLUFLI”LED燈板的等效工作電路。 （f）能量收集/轉換系統的詳細圖片和等效電路。 (g)不同壓力下TCM-TENG的示意圖。 (h)TCM-TENG表面筆跡示意圖。 W(i)和L(j)信號用于感測筆跡。
圖7. a 根據美國亞利桑那州鳳凰城（北緯 33.45°，西經 111.98°）的天氣數據，使用四種類型窗戶的建筑模型的年度冷卻能耗。 b 使用這四種窗戶的建筑模型每月額外節省的冷卻能源。 c 根據 12 個城市的天氣數據，使用 0.5M2B 薄膜的建筑模型的年度冷卻節能和百分比。
相關科研成果由齊魯工業大學Gaojin Lyu，紐布倫斯威克大學Yonghao Ni等人于2024年發表在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
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103483
轉自《石墨烯研究》公眾號
