迈向可持续柔性储能：丝网印刷柔性Zn–MnO 2 /rGO/MWCNT电池的绿色制备
2026-06-09 19:29:13 点击： 次
新式的柔性可穿戴电子产品集杰出的柔韧性、薄型化、轻量化和小型化等特点于一身，极大地激发了人们对低本钱、安全且环保[1]的继续追求。如今，许多研讨人员已优先考虑选用可继续制作办法和更安全的原资料来开发环境影响最小或较低的产品。对电子废物日益增长的忧虑促进研讨人员运用更环保的技能来制作电子产品[2]。虽然收回是缓解电子废物问题的一种值得称赞的办法，但必须在设计和开发阶段就经过运用可继续天然资料和高效制作技能，一起尽量减少资料运用和废物产生，然后尽早处理这一问题[3]。
因而，研讨要点在于开发更环保、安全的储能系统以及低本钱电池资料，以满意未来动力存储可继续开展的需求[4]。纯棉布是一种用于开发织物基电池的代替基底资料，因为它具有廉价、稳定性好、机械柔性、轻质、可拉伸、环境友好等长处，且因为纺织纤维结构的孔隙特性而具有高比表面积[5]，而且可以在当地布料店买到。此外，它可以经过涂覆、印刷或浸渍墨水和化学试剂轻松制备。棉布还具有生物降解性，可经过燃烧安全地处理。
电池的装备也是柔性ZIBs全体功能中的一个重要要素。许多运用需求促进了各种装备的柔性ZIBs的开展。传统的夹层式ZIBs因其简单的制作工艺而得到广泛选用。惋惜的是，曲折具有层压结构的夹层式柔性ZIBs会导致相邻组件之间产生位移或分离，这可能会损坏关键部件或整个器材，然后导致功能下降。为了满意柔性器材的机械和功能要求，一种根据平面装备的柔性ZIB已成为柔性电池的一种可行结构。这种平面设计将微电极、电解质和集流体结合在二维平面基底上，使其更薄、更小，一起在各种曲折条件下表现出鲁棒性，不会从表面开裂或剥离。
考虑到在平面柔性ZIBs上图画化微电极的制作和光刻技能，例如，photolithography [6]、vacuum deposition [7]、laser scribing [8]、inkjet printing [9]、3D printing [10]、soft template engraving [11]等。screen-printing办法是最受欢迎的制作办法之一[12]。它代表了一种用于从实验室到商场的转化的根底技能[13]。这种办法常用于printed circuit boards以及printed capacitors和resonant circuits等各种运用中，因为它具有本钱效益高、易于运用、高效、适合大规模生产且允许广泛的颜色调整等特点，尤其是在运用柔性资料时[14]。
为了着重更安全且更环保的电池的重要性，锌-二氧化锰（Zn-MnO 2）电池因其低资料本钱、无毒性、环境友好性和易于制作的工艺而主导了主要电池行业[15]。相应地，多糖因为其天然丰度、生物可降解性和无毒性，推动了对根据聚合物电解质的研讨[16]。黄原胶作为一种用于食品产品的无毒且安全的聚合物，表现出假塑性行为。它是一种天然多糖，由具有许多带电官能团的主链组成，如侧链上的羧基和羟基，使其可以轻易溶解在水和盐溶液中[17]。XG作为电解质基质，为柔性电池提供了多种优势，包含高电导率、柔韧性和可拉伸性，使整个电池可以曲折而不会开裂或泄漏电解质[18]。此外，XG的高耐盐性按捺了聚合物内水合硫酸根离子的沉积，否则会产生较差的电化学功能[19]。
虽然作为基底的棉布具有独特的孔隙率和高柔韧性，但应战在于战胜纤维素纤维的电阻。这导致了不理想的电导率，包含较差的容量和较差的倍率功能。在这种办法中，碳基资料在这一方面得到了聚集。它们被广泛用于进步储能系统的功能和稳定性，如纺织物基底超级电容器和电池的制备所示。Hu等人[20]引入了经过浸渍单壁碳纳米管（SWNTs）墨水来制备纺织物的工艺，以创建多孔导体。此外，Hu等人报道了一种导电CNT-纺织纤维网络，它为沉积纳米级MnO₂提供了有用的三维（3D）结构[21]。这些储能器材可以添加电极资料的质量负载量，并使电解质可以杰出地接触到此类物质。Bi等人[22]经过在NH₃气氛下的一步碳化法，展示了一种新式的多孔类石墨烯碳布——N掺杂碳布。所制备的N掺杂碳布表现出优异的机械鲁棒性和高电学功能。Huang等人[23]经过真空过滤成功制备了MnO₂/rGO电极并将其整合至碳布中。rGO的存在有用地改善了电荷传输并添加了电极的比表面积，然后实现了杰出的倍率功能和大容量。这种电...
综合考虑这些要素，Reduced graphene oxide (rGO) 因其高比表面积、优异的导电性、机械强度、化学稳定性和轻质特性，被认为是 MnO 2 电极的候选导电资料。此外，rGO 是经过各种复原工艺从 graphene oxide (GO) 制备而成的，这些工艺在去除含氧官能团的一起康复了导电碳网络。这些特性使 rGO 成为进步电池容量、导电性和循环稳定性的优良资料 [25]。但是，rGO 片层的堆叠会导致片层之间产生共轭 π–π 相互作用，然后导致比表面积降低并减缓纤维内部的电荷迁移率 [26]。一种有用缓解堆叠问题的办法是将 rGO 与 multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) 结合，这作为一种增强电池功能（特别是容量、导电性和全体电化学稳定性方面）的有前景的资料是合理的。对齐的 MWCNTs 作为石墨烯基电极资料的导电间隔物，其优势在于可以进步电导率、孔隙率和机械稳定性 [27]。
本研讨要点在于开发一种快捷的工艺，经过运用对环境无害的电极和电解质资料化学品，制备用于柔性电池的全环保棉布基底。在本研讨中，按照系统化的过程顺次制作了电池的各个组件。首要，将导电石墨油墨直接丝网印刷到棉布上作为集流体，旨在为根据棉布的电池寻找一种无金属集流体。随后，经过丝网印刷图画化平面电极来制作电极，其间复合油墨选用水性粘结剂系统（羧甲基纤维素(CMC)和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)的混合物）制备而成，以MnO₂结合rGO/MWCNT耦合导电资料作为正极，锌粉作为负极。最终，直接引入含有离子盐（MnSO₄和ZnSO₄）的可生物降解且具有生物相容性的黄原胶作为凝胶电解质，覆盖该平面电极电池。所提出的这种在棉布上的柔性Zn-MnO₂电池是一次性的且无毒的。这经过避免运用易燃或风险资料进步了电池的安全性。