一种类组织软质全水凝胶电池

一种类组织软质全水凝胶电池

为开发适应动态不均匀生物组织并减少不良免疫反应的可穿戴与植入式生物电子设备，采用与组织力学特性相匹配的电池作为电源至关重要。然而，现有电池因金属、碳材料、导电聚合物或复合材料等高杨氏模量组分，无法达到组织的柔软度。因此，制造类组织软质电池仍面临挑战。本研究首次报道了完全基于水凝胶的超软电池，其杨氏模量低至80千帕，与皮肤及心脏等器官完美匹配。全水凝胶锂离子电池在0.5安培/克电流密度下实现82毫安时/克的比容量，锌离子电池则达到370毫安时/克。在可穿戴与植入应用中，全水凝胶电池均展现出高稳定性和生物相容性。该研究为设计力学特性匹配的可穿戴及植入式电子设备电源开辟了新路径。

本文的主要创新点

理念与设计创新：首次提出并实现“全水凝胶”电池架构，摒弃传统刚性组分，每个组件均由水凝胶构成，解决“柔软”与“导电/储能”的矛盾。

材料体系创新：开发出杨氏模量低至 80 kPa 的超软电池，与人体软组织模量匹配，解决传统植入式设备因力学失配引发的问题，迈向“生物融合”电子设备。

性能突破：超软特性下，全水凝胶锂离子电池和锌离子电池比容量达同类器件先进水平，保证能量存储与释放功能。

应用功能突破：同时验证可穿戴与植入式双重应用场景的可行性和高稳定性、实用性，拓宽应用范围。

技术路径开创：开辟全新技术路径，为解决生物电子领域“电源硬度”瓶颈提供方向，对开发柔性电子设备意义重大。

总结：该工作创新系统多层次，从设计理念突破，材料体系颠覆，在性能和应用上取得平衡与突破，为领域开辟新方向。

研究背景

可穿戴和植入式生物电子器件对疾病诊治意义重大，电源单元是关键，电池因能量密度高、循环性能好成首选。其应用要求电池力学性能与生物组织匹配，既能保证紧密接触利于器件工作，又可减轻对组织的刺激损伤、缓解免疫反应，故设计类组织软电池至关重要。

目前，研究人员致力于降低电池杨氏模量，但成果有限。早期金属基电池体积大、刚性强，杨氏模量为10⁷至10⁸ kPa；薄膜电池电极含刚性材料，杨氏模量仍过高（10⁶至10⁸ kPa）；弹性体弹性电极虽将杨氏模量降至10³至10⁵ kPa，但仍远高于生物组织。因此，需用超软材料制造电池且不牺牲柔软性。

本文首次通过全水凝胶设计报道类组织软电池，利用界面干法交联策略获集成电池结构，该策略通用高效。如全水凝胶锂离子电池在0.5 A g⁻¹电流密度下比容量达82 mAh g⁻¹，锌离子电池达370 mAh g⁻¹，且超软电池杨氏模量80 kPa，与生物组织力学性能匹配，在可穿戴和植入应用中稳定性和生物相容性高。

研究流程

PAM/CNT导电水凝胶制备：将1mol丙烯酰胺（AAm）、0.28wt%（相对AAm）的亚甲基双丙烯酰胺（MBA，交联剂）、2.8wt%（相对AAm）的过硫酸铵（APS，引发剂）加入30wt%碳纳米管（CNT）水分散液，搅拌1小时，加0.2%（相对溶液）的N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED，催化剂）促自由基聚合，倒入培养皿成胶。

水凝胶电解质制备：搅拌下将2mol AAm、2mol LiCl和0.14wt%（相对AAm）的MBA溶于去离子水，通氩气除氧，加1.4wt%（相对AAm）的APS和0.6%（相对溶液）的TEMED，转移至培养皿得PAM/LiCl水凝胶电解质。PAM/三氟甲磺酸锌（Zn(OTf)₂）水凝胶电解质制备：将干燥PAM薄膜浸入3mol Zn(OTf)₂溶液24小时。

全水凝胶电池制备：把由活性材料（LMO/LTP）、Super P和PVDF按16:3:1质量比在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合（浓度80mg/mL）、超声30秒的活性材料分散液，滴到PAM/CNT导电水凝胶（面积1×0.5cm，厚750μm）上得原始水凝胶电极，LMO和LTP质量负载分别为1.2mg/cm²和1mg/cm²。原始电极先在80°C加热板脱水，再放100°C真空烘箱12小时除NMP，放玻璃板脱水防起皱。将水凝胶电解质（面积同电极，厚1mm）夹在两脱水电极间，电极自发吸水，室温待吸水平衡（电极厚450μm）后，用柔软封装层包裹。封装层是在预拉伸石蜡膜内层覆盖聚丙烯酸-壳聚糖-单宁酸-Al³⁺粘性水凝胶外层，石蜡膜有自粘性且与电极有分子间相互作用稳定界面，选该水凝胶因具生物相容性和水下粘附性，制备参照文献[49]。全水凝胶锌离子电池制备方法同，只是活性材料换为锌纳米片和NH₄V₄O₁₀。

结果解析

全水凝胶电池结构与工作机制示意图

全水凝胶电池的制备与结构表征

全水凝胶电池的电化学特性

全水凝胶电池的机械性能

全水凝胶电池的应用

研究结论

我们通过界面干法交联策略开发出类组织软质全水凝胶电池。所制备的电池展现出优异的高电化学性能与类组织杨氏模量，为可穿戴和植入式生物电子器件解决了电池与生物组织间机械失配的难题。该研究还为开发面向生物医学应用的下一代储能设备及其他电子器件提供了普适性解决方案。

技术来源： https://doi.org/10.1002/adma.202105120

为开发适应动态不均匀生物组织并减少不良免疫反应的可穿戴与植入式生物电子设备，采用与组织力学特性相匹配的电池作为电源至关重要。然而，现有电池因金属、碳材料、导电聚合物或复合材料等高杨氏模量组分，无法达到组织的柔软度。因此，制造类组织软质电池仍面临挑战。本研究首次报道了完全基于水凝胶的超软电池，其杨氏模量低至80千帕，与皮肤及心脏等器官完美匹配。全水凝胶锂离子电池在0.5安培/克电流密度下实现82毫安时/克的比容量，锌离子电池则达到370毫安时/克。在可穿戴与植入应用中，全水凝胶电池均展现出高稳定性和生物相容性。该研究为设计力学特性匹配的可穿戴及植入式电子设备电源开辟了新路径。

本文的主要创新点

理念与设计创新：首次提出并实现“全水凝胶”电池架构，摒弃传统刚性组分，每个组件均由水凝胶构成，解决“柔软”与“导电/储能”的矛盾。

材料体系创新：开发出杨氏模量低至 80 kPa 的超软电池，与人体软组织模量匹配，解决传统植入式设备因力学失配引发的问题，迈向“生物融合”电子设备。

性能突破：超软特性下，全水凝胶锂离子电池和锌离子电池比容量达同类器件先进水平，保证能量存储与释放功能。

应用功能突破：同时验证可穿戴与植入式双重应用场景的可行性和高稳定性、实用性，拓宽应用范围。

技术路径开创：开辟全新技术路径，为解决生物电子领域“电源硬度”瓶颈提供方向，对开发柔性电子设备意义重大。

总结：该工作创新系统多层次，从设计理念突破，材料体系颠覆，在性能和应用上取得平衡与突破，为领域开辟新方向。

研究背景

可穿戴和植入式生物电子器件对疾病诊治意义重大，电源单元是关键，电池因能量密度高、循环性能好成首选。其应用要求电池力学性能与生物组织匹配，既能保证紧密接触利于器件工作，又可减轻对组织的刺激损伤、缓解免疫反应，故设计类组织软电池至关重要。

目前，研究人员致力于降低电池杨氏模量，但成果有限。早期金属基电池体积大、刚性强，杨氏模量为10⁷至10⁸ kPa；薄膜电池电极含刚性材料，杨氏模量仍过高（10⁶至10⁸ kPa）；弹性体弹性电极虽将杨氏模量降至10³至10⁵ kPa，但仍远高于生物组织。因此，需用超软材料制造电池且不牺牲柔软性。

本文首次通过全水凝胶设计报道类组织软电池，利用界面干法交联策略获集成电池结构，该策略通用高效。如全水凝胶锂离子电池在0.5 A g⁻¹电流密度下比容量达82 mAh g⁻¹，锌离子电池达370 mAh g⁻¹，且超软电池杨氏模量80 kPa，与生物组织力学性能匹配，在可穿戴和植入应用中稳定性和生物相容性高。

研究流程

PAM/CNT导电水凝胶制备：将1mol丙烯酰胺（AAm）、0.28wt%（相对AAm）的亚甲基双丙烯酰胺（MBA，交联剂）、2.8wt%（相对AAm）的过硫酸铵（APS，引发剂）加入30wt%碳纳米管（CNT）水分散液，搅拌1小时，加0.2%（相对溶液）的N,N,N',N'-四甲基乙二胺（TEMED，催化剂）促自由基聚合，倒入培养皿成胶。

水凝胶电解质制备：搅拌下将2mol AAm、2mol LiCl和0.14wt%（相对AAm）的MBA溶于去离子水，通氩气除氧，加1.4wt%（相对AAm）的APS和0.6%（相对溶液）的TEMED，转移至培养皿得PAM/LiCl水凝胶电解质。PAM/三氟甲磺酸锌（Zn(OTf)₂）水凝胶电解质制备：将干燥PAM薄膜浸入3mol Zn(OTf)₂溶液24小时。

全水凝胶电池制备：把由活性材料（LMO/LTP）、Super P和PVDF按16:3:1质量比在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合（浓度80mg/mL）、超声30秒的活性材料分散液，滴到PAM/CNT导电水凝胶（面积1×0.5cm，厚750μm）上得原始水凝胶电极，LMO和LTP质量负载分别为1.2mg/cm²和1mg/cm²。原始电极先在80°C加热板脱水，再放100°C真空烘箱12小时除NMP，放玻璃板脱水防起皱。将水凝胶电解质（面积同电极，厚1mm）夹在两脱水电极间，电极自发吸水，室温待吸水平衡（电极厚450μm）后，用柔软封装层包裹。封装层是在预拉伸石蜡膜内层覆盖聚丙烯酸-壳聚糖-单宁酸-Al³⁺粘性水凝胶外层，石蜡膜有自粘性且与电极有分子间相互作用稳定界面，选该水凝胶因具生物相容性和水下粘附性，制备参照文献[49]。全水凝胶锌离子电池制备方法同，只是活性材料换为锌纳米片和NH₄V₄O₁₀。

结果解析

全水凝胶电池结构与工作机制示意图

全水凝胶电池的制备与结构表征

全水凝胶电池的电化学特性

全水凝胶电池的机械性能

全水凝胶电池的应用

研究结论

我们通过界面干法交联策略开发出类组织软质全水凝胶电池。所制备的电池展现出优异的高电化学性能与类组织杨氏模量，为可穿戴和植入式生物电子器件解决了电池与生物组织间机械失配的难题。该研究还为开发面向生物医学应用的下一代储能设备及其他电子器件提供了普适性解决方案。

技术来源： https://doi.org/10.1002/adma.202105120