▲电鳗。
▲团队开发的可折叠3D电池。受访者供图
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》。
热门研究领域里的冷门方向
电池是新能源汽车、储能、消费电子等领域的重要支撑，其中，以锂离子电池为代表的二次储能电池目前占据市场主导地位并发挥着关键作用。但金属资源有限与安全隐患等潜在问题限制了长远应用，因此新型储能装置的设计与制造逐渐引发业内人士关注。然而在这个热门研究领域里，浓差电池研究有点被“冷落”。
“放眼国内外，专门研究浓差电池的团队并不多，也鲜有重大成果。”中南大学教授、团队成员侯红帅说，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。
浓差电池由正极、负极和电解液组成，分为电极浓差电池和电解质浓差电池，前者是由电极本身活性物质浓度差别引起电势差，后者是由电池中电解质浓度差异引起电极电势差异，因此浓差电池电极电势的大小与电解质溶液浓度有关。
浓差电池的总反应过程是单质或离子等一种物质从高浓度状态向低浓度状态转移的过程。现实生活中，海水盐产能发电是最典型的应用代表。据报道，全世界海水盐差的能量资源高达30亿千瓦。
为充分开发利用这种能量，科学家利用浓差电池原理，在离子交换膜间隔的两个容器中分别装入海水和江河水并分别插入电极，从而搭建出一个简单的电解质浓差电池。海水中高浓度的钠离子或氯离子可自由扩散到低浓度江河水中，只要海水和江河水的盐浓度不相同，两者的电势就一直存在，即可持续发电。
目前，已有不少企业开展盐产能发电研究，例如挪威的Stat-Kraft公司早在2009年就率先建成了10千瓦盐产能的示范装置。
离子浓差不够 “搭梯子”来凑
制造浓差电池的关键之一在于浓度梯度的构建，离子梯度越大，产生的电压越大。
实际上，浓度梯度普遍存在于自然界生物体中，其中电鳗无疑是完美利用离子浓度梯度放电的典型代表。其体内排列着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。
“简单来说，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。”论文第一作者肖湘婷说。
“我们发现电鳗的放电原理与浓差电池类似，且可弥补浓差电池的缺陷。”论文通讯作者纪效波说，电解质溶解度有限，意味着其浓度不可能无限大，那么离子浓度梯度也不可能如预想的那么大，可产生的电压阈值较低。而电鳗的发电原理恰好能够解决该难题，只要设计的浓差电池数量足够多，其整体电压值就可以一直上升。
早在2017年，就有研究者首次通过模仿电鳗设计了一种四聚体凝胶电池，一个电池平均可以产生约0.18伏电压。但这种凝胶电池制备过程烦琐，电池组分复杂，限制了后续扩展利用。
在此基础上，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。
受折纸启发打造可折叠3D电池
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
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