蘇州納米所周小春團隊Advanced Energy Materials:使用新型凝膠/海綿復(fù)合材料制備高安全性、耐用性、適應(yīng)性及柔性的燃料電池
近年來,便攜式可穿戴電子設(shè)備迅速發(fā)展,但其能源供應(yīng)中不可避免地存在安全事故發(fā)生的可能性,例如穿戴電源被壓縮、彎曲、切割、發(fā)生泄漏、著火等。因此,開發(fā)能夠安全使用的能源供應(yīng)系統(tǒng)非常重要。然而,到目前為止,有關(guān)燃料電池安全性研究的報道還很少。對于燃料電池來說,機械過載引起的燃料泄漏可能會造成災(zāi)難性的影響。是否有可能制造出一種高度耐用的燃料電池,能夠通過如針刺、壓縮、彎曲,甚至切割等一系列安全測試?此外,在這些安全試驗中,能夠有效地抑制燃料泄漏、熱失控、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性影響。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所周小春研究員團隊在柔性燃料電池研究方面已有多年積累,在柔性燃料電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)方面取得系列進(jìn)展,包括柔性有序高導(dǎo)電電極開發(fā)(ACS Nano, 2017, 11(6), 5982–5991),便攜式柔性制氫研究(Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(40), 14277-14284,Chemical Science, 2017, 8, 7498 – 7504,ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(4), 4473–4481),柔性超薄氣體擴散層研制(Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 5986-5994),全固態(tài)直接甲醇燃料電池(Journal of Power Sources, 2020, 450, 227669),柔性導(dǎo)電機理(Chinese Chemical Letters, 2019, 30(6), 1282-1288),高安全性柔性燃料電池等(Advanced Energy Materials, 2021, 2103178)。
近期,團隊通過合成和應(yīng)用一種新型的瓊脂凝膠與木質(zhì)海綿的復(fù)合材料,即凝膠/海綿復(fù)合材料,成功研制了一種安全、耐用、適應(yīng)性強并具有出色柔性的自呼吸式直接甲醇燃料電池(DMFC)。該新型復(fù)合材料由于其獨特的成分和結(jié)構(gòu),具有吸收速度快 (約10s即吸收飽和)、循環(huán)性能好(循環(huán)次數(shù)>10次)、甲醇吸收率高(>5.2 g/g)、含能高(>30.8 kWh/kg)、柔性好等優(yōu)點。此外,復(fù)合材料對甲醇溶液具有很強的保留能力,在29.4 kPa的壓力下,含1.5%瓊脂凝膠的復(fù)合材料可以保留約90%的甲醇溶液。其面能量密度接近13.7 mWh cm-2。并且,使用凝膠/海綿復(fù)合材料制成的DMFC電堆成功經(jīng)受住了一系列破壞性試驗,包括長針刺穿、切割、彎曲和壓縮等。由于新型復(fù)合材料能吸收并保留住甲醇溶液,所以在進(jìn)行破壞性試驗時沒有燃料泄漏,使得DMFC避免了爆炸、著火等安全問題。此外,利用吸收材料固化氣態(tài)或液態(tài)燃料的概念,可以普遍應(yīng)用于提高其他燃料電池的安全性、適應(yīng)性和柔性。
圖1 凝膠/海綿復(fù)合材料的吸收性能
圖2 復(fù)合材料在壓力下的溶液保持能力
圖3 使用1.5%瓊脂凝膠復(fù)合材料的DMFC電堆的破壞性試驗
相關(guān)工作以“Highly Safe, Durable, Adaptable, and Flexible Fuel Cell Using Gel/Sponge Composite Material”為題發(fā)表在國際知名雜志《Advanced Energy Materials》上。論文第一作者為中科院蘇州納米所碩士生鄒思怡,通訊作者為周小春研究員。該論文工作獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
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