一种极端低温可穿戴自供能储能技术：基于抗冻水凝胶摩擦电纳米发电机和无树突石的锌离子SSB蓄电池

2026-08-03 09:20:09

在极寒地区收集可再生能源面临诸如能见度差、暴风雪和地形复杂等挑战，这些都阻碍了实现环境可持续性和减少碳足迹的目标。基于观察到乙二醇能作用强氢键，替代弱氢键以降低水凝胶的玻璃转变温度，设计出一种耐冻且高离子导电性的水凝胶。这种水凝胶适用于可穿戴摩擦电纳米发电机（TENGs）和可充电全固态锌离子电池，展现出卓越的能量收集和储存能力。一方面，带有水凝胶电极的可穿戴TENG具有极佳的抗撕裂和抗穿刺能力，产生200伏开路电压和9微安的短路电流。此外，还制造了一种基于水凝胶的固体电解质间相（SEI）薄膜的锌离子电池。SEI薄膜有效抑制Mn的溶解和Zn树突生长，同时调节锌沉积和溶解过程的可逆性。这项工作显著克服了水凝胶在低温下冻结的问题，为开发高性能、可拉伸且自愈合的TENGs和用于极寒环境下可伸缩电子设备的全固体电池提供了指导。

Gaphical 摘要

近年来，极端寒冷地区普遍绿色和可再生能源的发展深受气象条件和大气变异性的影响[1]。虽然这些资源丰富的地区为可再生能源利用提供了潜在优势，但也面临重大挑战[2]。例如，能见度差会负面降低太阳能光伏板的效率;强风和大雪损害风力涡轮机，因此需要频繁维护和修理，并增加能源开发的成本和风险;复杂的地形，包括山脉、峡谷和峡湾，使能源设施的建设和运营更加困难[3]。为了保障人员安全，探险者通常会携带额外的便携式发电机和电池，这些设备在紧急情况下可作为辅助电源使用。
为解决这些问题，研究人员探索了摩擦电纳米发电机（TENGs），该发电机能够收集知名的大能量来源，如风能、水力发电和波浪能，以及容易被忽视的环境随机能源，为辅助便携式发电机提供了有前景的可持续能源解决方案[[4]， [5]， [6]]。柔性TENG更适合从低频人体运动中收集能量，因为它可以适应人体的轮廓和运动[7,8]。水凝胶因其具有吸引力的特性，包括柔韧性和可拉伸性，是TENG的一种有前景的电极[9,10]。然而，大多数现有水凝胶不可避免地表现出极端低温条件下机械和电气性能同时崩溃的严峻状况[11,12]。除了可穿戴的TENGs外，全固体电池，如利用水凝胶作为固态电解质的柔性锌离子电池，具有进一步应用潜力。在极端寒冷地区，水凝胶中水溶剂的冻结以及离子迁移率的不可避免的降低，可能导致柔性固态电池的机械和电化学性能退化[13,14]。近年来，针对这些问题投入了大量努力。
例如，杨[15]设计了一种新型二维特离子聚合物水凝胶电解质，以提升低温导电率。基于该水凝胶的超级电容器具有134 mF/cm的高比电容²在-30°C。 周[16]利用纳米纤维与MXene之间的几何协同和分子相互作用，在-20°C下制造出高电导率（6.2 S/m）的水凝胶。他们进一步建造了TENG发动机，在40牛顿压力下达到约120毫瓦/米的峰值功率密度².张[17]向藻酸钙/聚丙烯酰胺/NH添加了二维特离子渗透物₄氯化水凝胶，通过干扰水中致密氢键结构的发展来防止冻结。该水凝胶在-40°C下具有卓越的导电性（2.72 S/m）。 尽管近年来水凝胶在能量收集和储存领域的应用取得了进展，但仍存在重大限制。值得注意的是，大多数制备过程复杂，这严重限制了其实际应用。因此，使用简单高效的方法制造既耐冻又具高离子导电性的成本效益高的水凝胶电解质仍属挑战。
在这里，通过系统分析极低区域水凝胶溶剂置换的变化，弥补了这一知识空白。我们提出一个ZnSO₄/瓜尔胶/乙二醇水凝胶（ZGE-hydrogel），通过溶剂置换有效克服了水凝胶糖霜的不稳定性。具体来说，乙二醇与水分子之间的强氢键取代了水分子间一些较弱的氢键，改变了水凝胶的键结构并降低了其玻璃转变温度。因此，ZGE-水凝胶即使在0°C或-20°C的低温下也表现出机械柔韧性和高离子电导率。 ZGE水凝胶被用于柔性TENG中，解决低温下能量收集的难题。柔性TENG可产生最高200伏的开路电压，短路电流9微安，功率密度为512瓦/米².此外，ZGE-水凝胶还能在锌离子电池电极处原位形成固体电解质界面（SEI），有效抑制游离水分子与锌电极表面的直接接触，抑制侧面反应，延缓Mn溶解和锌树突的生长。同时，ZGE-水凝胶固体电解液的自愈特性确保了锌离子电池即使在恶劣条件下也能稳定发挥性能。ZGE-水凝胶带来的这些益处显著提升了Zn//α-MnO的循环能力₂电池。该溶剂置换策略为TENG电池和锌离子电池的进一步实际应用奠定了坚实基础。