中南大学：模仿电鳗发电，研发出可折叠高电压电池

中南大学：模仿电鳗发电，研发出可折叠高电压电池

2024年1月，中南大学纪效波教授团队在《ACS应用材料与界面》发表了一项突破性研究：他们受电鳗放电机制启发，开发出一种可折叠3D浓差电池。这种电池不仅制造成本低、结构简单，还能为电子设备供电，展现了巨大的应用潜力。这一成果再次证明，电鳗独特的放电机制不仅是自然界的一大奇观，更为科技创新提供了源源不断的灵感。

电鳗（Electrophorus electricus）是一种生活在南美洲淡水河流中的奇特生物，以其独特的电击能力而闻名。它们不仅可以用电来捕猎和防御，还在社交行为中发挥着重要作用。电鳗的体内含有特殊的电器官，这些器官由数千个电细胞（称为电板）组成。电板的排列方式类似于电池的排列，当电鳗需要放电时，这些电板会同时工作，从而产生强大的电流。

电鳗的电器官主要分为三个部分：主电器官、副电器官和小电器官。主电器官占据了电鳗身体的大部分，负责产生大电压的电流。副电器官和小电器官则用于产生较低电压的电流。电器官由成千上万的电细胞组成，这些电细胞在结构上类似于神经细胞。每个电细胞都有一个细胞膜，膜内外的离子浓度差异导致了电位的产生。当电鳗受到刺激时，这些电细胞的膜会迅速去极化，从而释放出电流。

具体来说，电鳗体内排列着6000至1万枚肌肉薄片，薄片间被结缔组织间隔，且有许多神经直通中枢神经系统，每枚肌肉薄片就是一个发电细胞，也就是一个微型浓差电池。当发电细胞被神经信号刺激时，细胞前膜上的钠离子通道打开，细胞外的高浓度钠离子流入细胞内低浓度区域，这一扩散过程会产生65毫伏电压。同时，细胞后膜上的钾离子通道开启，胞内高浓度钾离子流出细胞，随之产生85毫伏电压。因此一个发电细胞就有0.15伏的电压。

电鳗的放电能力具有多种用途，包括捕猎、保护和交流。电鳗主要以鱼类和其他水生生物为食。在捕猎时，电鳗会释放出强烈的电流，麻痹猎物，使其无法逃跑。电鳗通常会先释放短促的低电压电流来探测猎物的位置，随后再释放高电压电流进行捕杀。电鳗也会利用电流来保护自己。当它们感到威胁时，会释放强烈的电流来吓跑捕食者。由于电鳗的电流可以达到600伏特，足以对许多捕食者造成伤害，因此这种防御机制非常有效。除了捕猎和防御，电鳗还利用电流进行社交交流。电鳗在交配季节会通过放电来吸引异性，或在群体中进行沟通。不同的电流模式可以传递不同的信息，使电鳗能够在复杂的环境中进行互动。

电鳗在其栖息地中扮演着重要的生态角色。它们不仅是食物链中的捕食者，还对生态系统的平衡起着重要作用。电鳗作为顶级捕食者，能够控制其栖息地中鱼类和其他水生生物的数量。通过捕食，电鳗帮助维持生态系统的平衡，防止某些物种过度繁殖。电鳗的存在也促进了生物多样性。在它们的栖息地中，电鳗的捕食行为可以影响其他物种的分布和种群结构，从而促进生态系统的多样性。

电鳗的独特电生理特性吸引了科学家的广泛关注。研究电鳗的电器官不仅有助于我们理解生物电现象，还有可能为医疗和工程领域带来启示。电鳗的电器官为研究生物电现象提供了一个理想的模型。科学家们通过研究电鳗的电生理机制，可以深入了解生物体如何产生和利用电能。这些研究可能会对神经科学和生物医学产生深远的影响。

电鳗的电生理特性可能在医疗领域找到应用。例如，电鳗产生的电流可以用于研究神经刺激和再生。科学家们正在探索如何利用电鳗的电流来开发新的治疗方法，帮助修复受损的神经组织。电鳗的电器官结构也为工程设计提供了灵感。科学家们正在研究如何模仿电鳗的电生理机制，开发新型的电池和能源存储设备。这些研究可能为可再生能源和电力存储技术的进步提供新的思路。

中南大学团队的研究正是基于这一思路。他们发现，电鳗是完美利用离子浓度梯度放电的典型代表。研究团队结合电鳗放电原理和传统浓差电池基础理论，设计了一种新型的简单、柔性、安全、易规模集成的浓差电池，产生的电压值接近发电细胞发电能力的4倍。尽管这种浓差电池已远超电鳗发电细胞的放电能力，但仍面临一个难题——电池的规模集成，这是浓差电池能落地应用的关键。为此，团队模仿电鳗电细胞的串联结构，通过水平堆叠方法实现了浓差电池的串联设计，电压数值可随串联数目的增加稳定增长，126个电池单体连接可产生高达60伏的电压。同时，受折纸艺术启发，他们通过特殊的Miura-ori策略将56个电池单体整合在一张纸上，形成可折叠的3D电池，可瞬间产生22伏左右的电压。集成的浓差电池可为电子设备供电，证明其具有实际应用潜力。

这一研究不仅展示了电鳗放电机制在能源领域的应用前景，也为未来可穿戴和植入设备提供了新的解决方案。正如纪效波教授所说：“该研究是对传统浓差电池概念的创新，也是仿生学应用的实例。”

电鳗放电机制的研究仍处于初级阶段，但其潜在价值已逐渐显现。随着研究的深入，我们有望在以下几个方面取得突破：

1. 医疗领域：开发基于生物电流的新型治疗方法，如神经修复、疼痛管理等
2. 能源领域：设计更高效、环保的储能装置，推动可再生能源发展
3. 生物学研究：揭示生物电流在生命活动中的作用，拓展我们对生命本质的理解

电鳗的放电能力不仅是自然界的一大奇观，更为科技创新提供了源源不断的灵感。随着研究的深入，我们有理由相信，这一独特的生物特性将在更多领域展现出其价值。