Synergistic crosslinking effect of hydroxyethyl cellulose and montmorillonite on the improvement of mechanical and electrochemical properties of polyvinyl alcohol hydrogel

聚乙烯醇 蒙脱石 纤维素 材料科学 乙烯醇 电化学 化学工程 羟乙基纤维素 高分子化学 复合材料 化学 聚合物 有机化学 电极 工程类 物理化学
作者
Zhonghua Ma,Zhuo Zhang,Haiyan Wang,Ziwen Ma,Tianxing Yi,Ye Li,Kuo Yang,Fangfei Li,Bing Xue
出处
期刊:Materials Today Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:37: 101996-101996 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.mtchem.2024.101996
摘要

Flexible solid-state zinc-ion battery is promising energy technology with low cost, excellent performance, and safety. However, the mechanical properties of flexible electrolytes are severely limited. Here, hydroxyethyl cellulose (HEC) and montmorillonite (MMT) were introduced into a polyvinyl alcohol (PVA) matrix to prepare a novel composite hydrogel using a repeated freeze-thaw method. Both organic HEC and inorganic MMT could form hydrogen bonds with PVA molecular chains, acting as crosslinkers to construct a well-networked hydrogel structure. The synergistic effect of these two crosslinkers significantly enhanced the mechanical properties of the composite hydrogel. The composite hydrogel prepared with 3 wt% HEC and 2 wt% MMT (denoted as P–H3%-M2%) exhibited a 242.6% increase in tensile strength, 78.6% increase in elongation at break, and 970.1% increase in compressive strength compared to pure PVA hydrogel. P–H3%-M2% hydrogel also demonstrated a high electrolyte uptake rate (199.15%) and ion conductivity (24.6 mS cm−1). When assembled in a Zn symmetric battery, it maintained stable operation for 3000 h with a low polarization voltage of approximately 70 mV. Furthermore, P–H3%-M2% hydrogel assembled in a Zn//MnO2 battery exhibited a discharge specific capacity of 218 mAh g−1 at a current density of 0.15 A g−1, with 91% capacity retention after 450 cycles. At a higher current density of 1.5 A g−1, it showed a discharge specific capacity of 108 mAh g−1, which is 4.5 times higher than that of the PVA hydrogel battery, demonstrating excellent rate performance.
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