圖1.凝膠/海綿復(fù)合材料的吸收性能

近年來(lái)，便攜式可穿戴電子設(shè)備迅速發(fā)展，但其能源供應(yīng)存在安全事故發(fā)生的可能性，如穿戴電源被壓縮、彎曲、切割、發(fā)生泄漏、著火等。因此，開(kāi)發(fā)能夠安全使用的能源供應(yīng)系統(tǒng)非常重要。然而，關(guān)于燃料電池安全性研究的報(bào)道較少。對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，機(jī)械過(guò)載引起的燃料泄漏或造成災(zāi)難性的影響。能否制造出一種高度耐用的燃料電池，且可以通過(guò)如針刺、壓縮、彎曲，甚至切割等安全測(cè)試？此外，在安全試驗(yàn)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(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員周小春團(tuán)隊(duì)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：柔性有序高導(dǎo)電電極開(kāi)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(kuò)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(jī)理【Chinese Chemical Letters, 2019, 30(6), 1282-1288】，以及高安全性柔性燃料電池等（Advanced Energy Materials, 2021, 2103178）。

近日，科研團(tuán)隊(duì)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，研制出一種安全、耐用、適應(yīng)性強(qiáng)且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)合材料因其獨(dú)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(diǎn)。復(fù)合材料對(duì)甲醇溶液具有很強(qiáng)的保留能力，在29.4 kPa的壓力下，含1.5%瓊脂凝膠的復(fù)合材料可保留約90%的甲醇溶液。其面能量密度接近13.7 mWh cm^-2。同時(shí)，研究使用凝膠/海綿復(fù)合材料制成的DMFC電堆經(jīng)受住一系列破壞性試驗(yàn)，包括長(zhǎng)針刺穿、切割、彎曲和壓縮等。新型復(fù)合材料能吸收并保留住甲醇溶液，因而在進(jìn)行破壞性試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有燃料泄漏，使DMFC避免了爆炸、著火等安全問(wèn)題。此外，研究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。

相關(guān)研究成果以Highly Safe, Durable, Adaptable, and Flexible Fuel Cell Using Gel/Sponge Composite Material為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。

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(yàn)