Nanofluidic-engineered carbon nanotube ion highways in hydrogels enable high-power aqueous zinc-ion batteries

材料科学 碳纳米管 聚合物 纳米技术 自愈水凝胶 离子 水溶液 离子键合 电解质 化学工程 碳纤维 聚丙烯酰胺 离子运输机 离子电导率 离子液体 超短脉冲 同种类的 电导率 纳米流体学 导电体 纳米管 电磁屏蔽
作者
Dewu Lin,Jiapei Li,Mingzhan Wang,Muqiang Jian,Rong-Cun Pan,Yu Liu,Anquan Zhu,Tian Zhang,Kai Liu,Dongyu Feng,Kunlun Liu,Yin Zhou,Chengkai Yang,Hong Guo,Jin Zhang,Wenjun Zhang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (47): eadx9812-eadx9812 被引量:29
标识
DOI:10.1126/sciadv.adx9812
摘要

Quasi-solid polymer electrolytes (QSPEs) for flexible batteries face critical limitations in ion transport efficiency at high currents. We address this with a design of nanofluidic polyacrylamide hydrogel integrating aligned single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as ion highways [SWCNT-embedded polyacrylamide(CPAM)]. Photo-polymerization ensures homogeneous SWCNT distribution, delivering a high ionic conductivity of 30.3 mS cm −1 while shielding polymer matrices from ion collision. Molecular dynamics simulations identify three ion transport modes, dominated by SWCNT-confined pathways. The CPAM-based Zn||Zn cell exhibits ultralong cycling (7000 hours), and Zn|CPAM|Zn 0.25 V 2 O 5 cells retain 80% capacity after 2000 cycles at 40 A g −1 (19.2 kW kg −1 ). Cryogenic operation (−15°C) and pouch cells further demonstrate the robust performance of CPAM. This work transcends conventional compromises of QSPEs, enabling wearables with ultrafast charging/discharging, cryogenic tolerance, and mechanical resilience.
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