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NatureChemEng：微型软锂离子电池首次研发成功！

锂电联盟会长 2024-11-13 09:30
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科学背景
电子设备的微型化是一个新兴的研究领域。因此，微型器件尺寸在几立方毫米以下的发展进步需要驱动电源体积相应减小。为实现生物医学中的微创手术应用，电池还应具备柔软、生物相容性和生物可降解性，并具有附加功能和响应性，例如可触发激活和远程控制移动性。然而，目前尚未有这样的多功能微型软电池。尽管基于水凝胶的锂离子（Li-ion）电池展现了部分此类特性，但就亚毫米级水平上水凝胶基阴极、隔膜和阳极的自组装集成而言，目前还没有实现电池架构的微型化制造。为避免不同隔室的材料在预凝胶（液态）状态或凝胶化过程中混合，必须进行预交联隔室的手动组装或多步沉积与交联。这一限制不仅使基于水凝胶的功能架构难以缩小，还阻碍了高密度能量存储的实现。


创新成果
近日，英国牛津大学Hagan Bayley教授、雷鸣教授和瑞士洛桑联邦理工学院张瑜伽团队在Nature chemical engineering发表了题为“A microscale soft lithium-ion battery for tissue stimulation”的文章，该项工作报道了通过沉积自组装、纳米级、脂质支撑的丝胶水凝胶液滴制成的微型、柔软、可充电锂离子液滴电池（LiDB）。该项工作展示了诸如可触发激活、生物相容性、生物可降解性和高容量等性能。该项研究已使用 LiDB 为合成细胞之间的带电分子电泳迁移提供动力，并介导体外小鼠心脏的除颤和起搏。通过加入磁性颗粒实现推进，LiDB 可作为移动能量载体。该项研究的微型多功能电池将因此实现多种生物医学应用。

数据概览
图1、LiDB 的设计© Springer Nature Limited 2024
图2、LiDBs的电化学特性© Springer Nature Limited 2024
图3、LiDBs驱动带电分子运动© Springer Nature Limited 2024
图4、LiDBs对体外小鼠心脏刺激© Springer Nature Limited 2024
图5、LiDBs的磁力推进与转向© Springer Nature Limited 2024


科学启迪
在该项研究中，一种微型软质锂离子电池由纳升量级的水凝胶液滴自组装而成。所得的 LiDB 可通过紫外线交联实现按需激活，其单位体积比以往器件低 103 倍以上，且能量存储密度更高。由 10 nL液滴制成的 LiDB 输出能量密度约为 46 μWh cm−2，瞬时输出功率密度约为 10 μW cm−2，足以满足纳瓦功率预算的器件需求。通过使用具有理想特性（包括弹性、锂离子导电性、生物相容性和生物可降解性）的丝质水凝胶，促成了这些成果。LiDB 能够与合成组织相连接以驱动带电分子迁移，并与心脏组织相连以调节心脏活动。水凝胶液滴的构建还允许添加模块，例如允许磁操控的模块，这或许能使 LiDB 为体内应用中的微型机器人供能。然而，该项研究存在两个需要注意的问题。首先，水的电化学稳定窗口（约 1.23 V）通常限制了水凝胶电池的输出电压，使其低于固态电池。不过，多个 LiDB 的串联可以产生更高的输出电压以适应应用需求。其次，为防止液滴沉积过程中喷嘴堵塞，Li 粒子的质量负载被限制在低于 20% w/v，从而降低了电池的最大容量。使用更小的 Li 粒子或经过化学处理的喷嘴可能防止堵塞并增加质量负载。其他液滴组装方法，如声波打印、微流体沉积以及借助功能性交联剂辅助的液滴自组装，可能有助于 LiDB 的规模化生产，并通过进一步减小液滴尺寸来提高能量密度。此外，该项设计策略或许能与其他水凝胶和水性掺杂剂相结合，例如用于锌离子电池的锌粒子和用于磁控的氧化铁粒子，以构建一类包含水凝胶、功能性粒子和导电元素的小型能量器件的其他成员，这些器件采用柔软、微型化的结构。微尺度软质 LiDB 可能在包括微型机器人、合成组织、非生物-生物界面和可植入医疗设备等众多领域得到应用。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s44286-024-00136-z
文章来源：材料人
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