随着可穿戴和可植入电子器件的蓬勃发展,亟需创建与人体环境相适应的新型高性能电池体系,要求电池具有高能量密度、优异的生物安全性和在复杂生物环境下稳定工作的特性。近日,南京大学张晔课题组设计和制备新型能源高分子材料,创建出与人体环境适应的高性能化学电池,实现在体内不同组织环境中稳定放电,电池表现出高能量密度和优异的生物相容性,成果近期发表在Advanced Materials上,DOI:10.1002/adma.202304141。
镁氧气电池利用镁与氧气反应产生电能,具有较高的理论能量密度,同时电池材料也比较安全,是一类理想生物电池体系。然而,如何构建适应生物环境的高性能镁氧气电池仍面临以下问题:(1)电池在反应过程中,会发生离子和分子的输运和扩散,局部物质浓度异常造成生物体的排异反应,导致较差的生物安全性。(2)体液对镁负极会造成严重的腐蚀和钝化,进而降低负极利用率和电池的能量密度。生物质在正极的黏附和污染对正极催化性能造成严重的影响,导致电池不能在生物环境下正常工作。如何通过材料和器件设计,实现电池在生物环境中长期稳定工作,是迫切需要解决的问题。
图1 仿线粒体的镁氧气生物电池的结构
研究亮点
图2 高分子内膜和外膜的结构和功能
图3 镁氧气生物电池的体内电化学性能
图4 镁氧气生物电池的生物安全性
图5 仿线粒体的镁氧气生物电池的体内集成应用展示
该工作提出了一种受线粒体启发的体内高性能镁氧气电池,通过创新设计高分子双层膜结构,使得该电池能够与生物体环境高度适应,在体内展示了较高的体积能量密度,最高达到了2517 Wh·L–1(基于电池的总体积计算)。受线粒体启发的镁氧气生物电池,有望在高性能植入能源器件方向拓展出一个新方向。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304141
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