近年来，可穿戴和可植入生物电子器件蓬勃发展，在疾病诊疗、大健康、人机接口、电子通讯等领域显示出巨大的应用前景。能源系统如各种化学电池是植入式电子器件的心脏，为其提供能量。然而目前使用的刚性电池系统，无法与柔软的生物组织相匹配，迫切需要开发与生物组织力学性能(如杨氏模量)相匹配的的柔软电池，确保在动态变形下，器件与不规则生物组织表面的持续稳定贴合并最大程度下减少组织应力；同时缓解物理扰动及其对组织的损伤，从而减轻免疫反应和健康威胁。

  传统电池通常采用高度刚性的材料，其杨氏模量在10⁷-10⁸ kPa量级。薄膜电池可将杨氏模量降低至10⁶-10⁸ kPa，弹性电池可将杨氏模量降低至10³-10⁵ kPa， 但由于所用材料中不可避免包括碳材料，导电聚合物及复合材料，其杨氏模量与生物组织（皮肤，心脏等器官通常小于10² kPa）相比依旧较高。因此，实现与生物组织力学匹配的柔软电池，其关键在于全部采用本征超柔软的材料且在随后制备加工中始终保持其柔软的力学特性。

  近日，南京大学张晔课题组采用界面干交联策略制备了一种具有高电子电导率和高界面电荷转移效率的类组织柔软的全凝胶电池，在全水凝胶锂离子电池和锌离子电池中分别实现了82 mAh·g^-1和370 mAh·g^-1的比容量。与此同时，全凝胶电池表现出80 kPa的杨氏模量，与生物组织（例如皮肤和心脏）的力学性能有效匹配。全凝胶电池还表现出在可穿戴和可植入设备中的高稳定性和高生物相容性。

图1. 类组织柔软的全凝胶电池的示意图

全凝胶电池的制备

  全凝胶电池是通过界面干交联策略制备的。首先，在聚丙烯酰胺(PAM)/碳纳米管(CNT)导电水凝胶表面负载电池正负极活性材料获得初始的水凝胶电极。然后将初始水凝胶电极完全去水合。最后将去水合的电极与水凝胶电解质贴合，让电极自发从水凝胶电解质中吸收水分，待体系稳定后得到一体化的全凝胶电池。

全凝胶电池的电化学性能

  实现全凝胶电池的难点在于凝胶电极的制备。电池电极需要具备高电子电导率来实现电池内部电子的快速传输，保证电池的高输出功率。初始的水凝胶电极经历去水合-与凝胶电解质贴合再水合的过程，电极中的含水量下降，导电通路更加致密，电极的电子电导率(~ 10³ mS·cm^-1 )相比未处理前提升三个数量级左右。并且，经历这个过程后，水凝胶电极仍然保留70 kPa的超低杨氏模量。除了电子电导率的提升，此过程还形成了兼容性良好且稳定的电极-电解质界面，使电池具有高界面电荷转移效率。一方面，去水合电极与水凝胶电解质贴合后吸收了界面处的水分，提高了电极-电解质的有效接触面积。另一方面，界面处的含水量降低后，电极-电解质之间通过氢键形成物理交联，增加了电极-电解质界面的粘附力。

图2. 全凝胶电池的组装过程和结构表征

  良好的电子电导率和界面电荷转移效率使全凝胶电池表现出优异的电化学性能。全水凝胶锂离子电池具有82 mAh·g^-1的高比容量，并且可以稳定循环400圈，全水凝胶锌离子电池的比容量高达370 mAh·g^-1，并且可以稳定循环200圈。

图3. 全凝胶电池的电化学性能

全凝胶电池的力学特性

  伴随着优异的电化学性能，全凝胶电池表现出80 kPa的低杨氏模量，与人体组织（例如皮肤和心脏）的杨氏模量相匹配，使全凝胶电池能够与人体组织有效贴合。除此之外，电极-电解质界面的粘附及其结构完整性使得全凝胶电池能够在弯折，拉伸和扭曲等多种变形后保持电化学性能的稳定。特别的是，即使在苛刻的剪切变形5000次之后，其电化学性能依然可以保持不变。与目前已报道的柔性电池相比，该工作制得的全凝胶电池表现出优异的结构稳定性和与组织相匹配的力学性能，满足在复杂变形和体内植入等应用场景下的使用要求。例如，将全水凝胶贴在手腕上，随着手腕的运动，全凝胶电池可以紧紧地贴在手腕上并随手腕同步运动，且运动过程中全凝胶电池表现出稳定的放电性能。此外，将全凝胶电池与水凝胶传感集成后贴在心脏表面，超柔软的集成器件与心脏形成紧密稳定的接触，可以准确检测到心脏跳动信号。

图4. 全凝胶电池的力学特性

图5. 全凝胶电池的应用展示

结论

  这项工作通过采用界面干交联策略设计了一种与生物组织力学匹配的全凝胶电池。制备得到的全凝胶电池可同时表现出优异的电化学性能和与组织相匹配的杨氏模量，从而为解决可穿戴及可植入设备中储能器件与生物组织力学不匹配的问题提供了一种可行方案。该工作也为开发下一代与生物组织相容的储能及其他电子器件提供了一种普适性的有效策略。

  以上相关成果以A tissue-like soft all-hydrogel battery为题发表在Advanced Materials上。论文的第一作者和第二作者分别为南京大学现代工程与应用科学学院博士生叶婷婷和硕士生王嘉诚。本工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京大学启动经费等项目的支持。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105120

  下载：A tissue-like soft all-hydrogel battery