▲電鰻。

 

▲團隊開發的可折疊3D電池。受訪者供圖

電鰻有獨特的放電能力，能產生足以將人擊昏的電流，有“水中高壓線”之稱。而濃差電池的總反應過程是電池體系中存在物質濃度梯度，通過物質的濃差擴散實現電能輸出。

一個是會放電的水生生物，一個是可儲能的化學電池，它們能有什么關聯?中南大學教授紀效波團隊研究發現，電鰻是完美利用離子濃度梯度放電的最典型代表。于是他們基于該原理，將兩種水凝膠堆疊組成梯形“發電層”，打造出電鰻型雙離子梯度電池，并受折紙藝術啟發制備出可折疊3D電池。相關研究成果近日發表于《ACS應用材料與界面》。

熱門研究領域里的冷門方向

電池是新能源汽車、儲能、消費電子等領域的重要支撐，其中，以鋰離子電池為代表的二次儲能電池目前占據市場主導地位并發揮著關鍵作用。但金屬資源有限與安全隱患等潛在問題限制了長遠應用，因此新型儲能裝置的設計與制造逐漸引發業內人士關注。然而在這個熱門研究領域里，濃差電池研究有點被“冷落”。

“放眼國內外，專門研究濃差電池的團隊并不多，也鮮有重大成果。”中南大學教授、團隊成員侯紅帥說，濃差電池雖然很早就被科學家提及，但這類電池沒有具體化的器件，由于電壓偏低也沒有很好應用，因此一直沒受到足夠的重視。

濃差電池由正極、負極和電解液組成，分為電極濃差電池和電解質濃差電池，前者是由電極本身活性物質濃度差別引起電勢差，后者是由電池中電解質濃度差異引起電極電勢差異，因此濃差電池電極電勢的大小與電解質溶液濃度有關。

濃差電池的總反應過程是單質或離子等一種物質從高濃度狀態向低濃度狀態轉移的過程?，F實生活中，海水鹽產能發電是最典型的應用代表。據報道，全世界海水鹽差的能量資源高達30億千瓦。

為充分開發利用這種能量，科學家利用濃差電池原理，在離子交換膜間隔的兩個容器中分別裝入海水和江河水并分別插入電極，從而搭建出一個簡單的電解質濃差電池。海水中高濃度的鈉離子或氯離子可自由擴散到低濃度江河水中，只要海水和江河水的鹽濃度不相同，兩者的電勢就一直存在，即可持續發電。

目前，已有不少企業開展鹽產能發電研究，例如挪威的Stat-Kraft公司早在2009年就率先建成了10千瓦鹽產能的示范裝置。

離子濃差不夠 “搭梯子”來湊

制造濃差電池的關鍵之一在于濃度梯度的構建，離子梯度越大，產生的電壓越大。

實際上，濃度梯度普遍存在于自然界生物體中，其中電鰻無疑是完美利用離子濃度梯度放電的典型代表。其體內排列著6000至1萬枚肌肉薄片，薄片間被結締組織間隔，且有許多神經直通中樞神經系統，每枚肌肉薄片就是一個發電細胞，也就是一個微型濃差電池。

“簡單來說，當發電細胞被神經信號刺激時，細胞前膜上的鈉離子通道打開，細胞外的高濃度鈉離子流入細胞內低濃度區域，這一擴散過程會產生65毫伏電壓。同時，細胞后膜上的鉀離子通道開啟，胞內高濃度鉀離子流出細胞，隨之產生85毫伏電壓。因此一個發電細胞就有0.15伏的電壓。”論文第一作者肖湘婷說。

“我們發現電鰻的放電原理與濃差電池類似，且可彌補濃差電池的缺陷。”論文通訊作者紀效波說，電解質溶解度有限，意味著其濃度不可能無限大，那么離子濃度梯度也不可能如預想的那么大，可產生的電壓閾值較低。而電鰻的發電原理恰好能夠解決該難題，只要設計的濃差電池數量足夠多，其整體電壓值就可以一直上升。

早在2017年，就有研究者首次通過模仿電鰻設計了一種四聚體凝膠電池，一個電池平均可以產生約0.18伏電壓。但這種凝膠電池制備過程煩瑣，電池組分復雜，限制了后續擴展利用。

在此基礎上，紀效波團隊結合電鰻放電原理和傳統濃差電池基礎理論，設計了一種新型的簡單、柔性、安全、易規模集成的濃差電池，產生的電壓值接近發電細胞發電能力的4倍。

“電池研發面對的第一個難題就是離子梯度如何構筑。”紀效波說，團隊選用聚乙烯醇作為水凝膠基底，構建親水性網絡，創造充足的水環境來儲存離子。

為確保水凝膠能快速成膠且液體環境中存在自由離子，研究人員選用甘油和水作二元溶劑，三者間極易通過豐富含氧官能團形成氫鍵，由此加快水凝膠成膠速率，大大節省原料和時間成本。

接著，研究人員開始尋找各種電解質材料。肖湘婷說，團隊對10余種潛在電解質材料進行測試，最終選用了性能最優的兩種材料——植酸鈉和殼聚糖季銨鹽。

“我們確定了富含鈉離子的水凝膠和富含氯離子的水凝膠，并將這兩種水凝膠進行堆疊組成‘發電層’，形成兩個濃度梯度，再將發電層與電極組合，雙濃度梯度的濃差就形成了。”肖湘婷說。最終，團隊通過結構優化使濃差電池開路電壓達到0.54伏并穩定維持了約兩小時。

受折紙啟發打造可折疊3D電池

盡管這種濃差電池已遠超電鰻發電細胞的放電能力，但仍面臨一個難題——電池的規模集成，這是濃差電池能落地應用的關鍵。

為此，團隊模仿電鰻電細胞的串聯結構，通過水平堆疊方法實現了濃差電池的串聯設計，電壓數值可隨串聯數目的增加穩定增長，126個電池單體連接可產生高達60伏的電壓。同時，受折紙藝術啟發，他們通過特殊的Miura-ori策略將56個電池單體整合在一張紙上，形成可折疊的3D電池，可瞬間產生22伏左右的電壓。集成的濃差電池可為電子設備供電，證明其具有實際應用潛力。

“該研究是對傳統濃差電池概念的創新，也是仿生學應用的實例。”紀效波表示，團隊設計的雙離子梯度濃差電池制造成本低、結構簡單、安全、柔性、可降解，電性能可隨實際需求變化，能滿足未來可穿戴和植入設備的需求。

展望未來，紀效波表示，將在此次成果基礎上，繼續尋找電離能力更強的“發電”材料，深入解析變化濃度下離子實時擴散機制，優化電池集成程序，提高濃差電池在不同應用場景下結構和性能的穩定性。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1021/acsami.3c13008

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