周小春团队使用新型凝胶/海绵复合材料制备高安全性、耐用性、适应性及柔性的燃料电池

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近年来，便携式可穿戴电子设备迅速发展，但其能源供应中不可避免地存在安全事故发生的可能性，例如穿戴电源被压缩、弯曲、切割、发生泄漏、着火等。因此，开发能够安全使用的能源供应系统非常重要。然而，到目前为止，有关燃料电池安全性研究的报道还很少。对于燃料电池来说，机械过载引起的燃料泄漏可能会造成灾难性的影响。是否有可能制造出一种高度耐用的燃料电池，能够通过如针刺、压缩、弯曲，甚至切割等一系列安全测试？此外，在这些安全试验中，能够有效地抑制燃料泄漏、热失控、火灾、爆炸等灾难性影响。
　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所周小春研究员团队在柔性燃料电池研究方面已有多年积累，在柔性燃料电池的关键材料和技术方面取得系列进展，包括柔性有序高导电电极开发（ACS Nano, 2017, 11(6), 5982–5991），便携式柔性制氢研究（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），柔性超薄气体扩散层研制（Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 5986-5994），全固态直接甲醇燃料电池（Journal of Power Sources, 2020, 450, 227669），柔性导电机理（Chinese Chemical Letters, 2019, 30(6), 1282-1288），高安全性柔性燃料电池等（Advanced Energy Materials, 2021, 2103178）。  
　　近期，团队通过合成和应用一种新型的琼脂凝胶与木质海绵的复合材料，即凝胶/海绵复合材料，成功研制了一种安全、耐用、适应性强并具有出色柔性的自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC)。该新型复合材料由于其独特的成分和结构，具有吸收速度快 (约10s即吸收饱和)、循环性能好(循环次数＞10次)、甲醇吸收率高(＞5.2 g/g)、含能高(＞30.8 kWh/kg)、柔性好等优点。此外，复合材料对甲醇溶液具有很强的保留能力，在29.4 kPa的压力下，含1.5%琼脂凝胶的复合材料可以保留约90%的甲醇溶液。其面能量密度接近13.7 mWh cm-2。并且，使用凝胶/海绵复合材料制成的DMFC电堆成功经受住了一系列破坏性试验，包括长针刺穿、切割、弯曲和压缩等。由于新型复合材料能吸收并保留住甲醇溶液，所以在进行破坏性试验时没有燃料泄漏，使得DMFC避免了爆炸、着火等安全问题。此外，利用吸收材料固化气态或液态燃料的概念，可以普遍应用于提高其他燃料电池的安全性、适应性和柔性。

　　图1 凝胶/海绵复合材料的吸收性能

　　图2 复合材料在压力下的溶液保持能力

　　图3 使用1.5%琼脂凝胶复合材料的DMFC电堆的破坏性试验

　　相关工作以“Highly Safe, Durable, Adaptable, and Flexible Fuel Cell Using Gel/Sponge Composite Material”为题发表在国际知名杂志《Advanced Energy Materials》上。论文第一作者为中科院苏州纳米所硕士生邹思怡，通讯作者为周小春研究员。该论文工作获得了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103178




      文章来源：宁波材料所
      周小春，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。2008年获得中国科学院长春应用化学研究所博士学位，随后在美国康奈尔大学从事博士后研究，。长期从事燃料电池和单分子单纳米粒子催化方面的研究，在国际学术期刊杂志上共发表SCI收录的学术论文27篇，以及授权中国专利2项，其中第一作者的有9篇，已被引用230余次，单篇最高被引34次，单篇最高影响因子30.3。