仿生电鳗放电机制，新型浓差电池实现60伏电压输出

仿生电鳗放电机制，新型浓差电池实现60伏电压输出

电鳗有独特的放电能力，能产生足以将人击昏的电流，有“水中高压线”之称。而浓差电池的总反应过程是电池体系中存在物质浓度梯度，通过物质的浓差扩散实现电能输出。一个是会放电的水生生物，一个是可储能的化学电池，它们能有什么关联？中南大学教授纪效波团队研究发现，电鳗是完美利用离子浓度梯度放电的最典型代表。于是他们基于该原理，将两种水凝胶堆叠组成梯形“发电层”，打造出电鳗型双离子梯度电池，并受折纸艺术启发制备出可折叠3D电池。相关研究成果近日发表于《ACS应用材料与界面》。

电鳗体内排列着6000至1万枚肌肉薄片，每枚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。

中南大学教授纪效波团队正是从电鳗的放电机制中获得灵感，将两种水凝胶堆叠组成梯形“发电层”，打造出电鳗型双离子梯度电池，并受折纸艺术启发制备出可折叠3D电池。

浓差电池虽然很早就被科学家提及，但这类电池没有具体化的器件，由于电压偏低也没有很好应用，因此一直没受到足够的重视。纪效波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。

“电池研发面对的第一个难题就是离子梯度如何构筑。”纪效波说，团队选用聚乙烯醇作为水凝胶基底，构建亲水性网络，创造充足的水环境来储存离子。为确保水凝胶能快速成胶且液体环境中存在自由离子，研究人员选用甘油和水作二元溶剂，三者间极易通过丰富含氧官能团形成氢键，由此加快水凝胶成胶速率，大大节省原料和时间成本。

接着，研究人员开始寻找各种电解质材料。肖湘婷说，团队对10余种潜在电解质材料进行测试，最终选用了性能最优的两种材料——植酸钠和壳聚糖季铵盐。“我们确定了富含钠离子的水凝胶和富含氯离子的水凝胶，并将这两种水凝胶进行堆叠组成‘发电层’，形成两个浓度梯度，再将发电层与电极组合，双浓度梯度的浓差就形成了。”肖湘婷说。最终，团队通过结构优化使浓差电池开路电压达到0.54伏并稳定维持了约两小时。

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。

“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。”纪效波表示，团队设计的双离子梯度浓差电池制造成本低、结构简单、安全、柔性、可降解，电性能可随实际需求变化，能满足未来可穿戴和植入设备的需求。

展望未来，纪效波表示，将在此次成果基础上，继续寻找电离能力更强的“发电”材料，深入解析变化浓度下离子实时扩散机制，优化电池集成程序，提高浓差电池在不同应用场景下结构和性能的稳定性。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acsami.3c13008