世界首个“离子电流”电池问世：生物相容性良好！

guolvfenlitech6 · 发表于 2017-12-11 10:50:08

2017-12-11 环球过滤分离技术网

最近，美国马里兰大学的工程师们发明了一种具有生物相容性的全新电池。这种离子电流电池能够产生出基于离子的电能，它与人类和其他生物系统所用的电能属于同一种类型。

关键字

电池、生物、医疗

背景

在我们的身体中，流动的离子（钠、钾和其他电解质）所形成的电信号，不仅能够为大脑提供能量，还可以控制心率和肌肉运动等等。也就是说，生物系统的细胞运作需要离子电流。

可是在传统电池中，电能或者电流都是以电子运动的形式流动。传统电池产生的电流，是在电池内部，将阳离子从电池的一端（电极）移动到另外一端，而在电池的外部只能以提供“电子形式的电流”。

创新

然而，美国马里兰大学进行独到的创新研究，发明了一种新型电池，也称为“电子电池”。它的工作方式恰恰相反：它在电池内部移动电子，而在外部以离子流动的形式传递能量。这也是科学家们首次发明一种产生离子电流的电池。

（图片来源：参考资料【2】）

对此，电池开发小组的领头人、马里兰大学学院市分校的材料科学教授 Liangbing Hu 介绍说：

“我的发明是与人类系统交互的离子系统，所以我提出了反向的电池设计。在传统的电池中，电子通过电线流动，与电子设备交互，而离子流过电池隔板。在我们的反向设计中，传统的电池被通过电子方式短路（这意味着电子流过金属线）。然后，离子必需流过外部的离子电线。在这个方案中，离子线（这里是指草纤维）中的离子，能与生物系统产生交互。”

以下是研究人员论文中的一张图，它更直观地阐明了这个设计理念：

(a) 传统电池（左）和电池电池（右）。对于传统电池来说，阳极和阴极由离子介质分开，离子通过这种介质扩散，而电子则通过外部电路传输；对于电子电池来说，电子介质用于在电池内部传导电子，而离子则通过外部电路传输。

(b) 电流-电压曲线的插图，分别代表了传统电池和电子电池和离子系统交互的情况。电气电极的曲线显示，电化学反应发生的地方有一个起始电压(VE)。离子电极的运行情况则不同（遵循欧姆定律），电流随电压线性变化。

（图片来源：参考资料【2】）

Hu 与其同事们的相关研究于7月24日，发表在《自然通信》刊物上。

技术

之前，科学家们一直在尝试搞清楚这个问题：如何让电池与生物系统具有相容性？

他们尝试将电子电流转化为离子电流，可是这种方案存在一个问题：电子电流需要达到一定的电压，才能逾越电子系统和离子系统之间的鸿沟。可是在生物系统中，离子电流需要在非常低的电压条件下流动。那么，通过一个“补丁”将电子转化为离子，感应电流会太高以至无法满足运行需求，特别是对于大脑和肌肉而言。然而这个问题可以通过离子电流电池来消除，它可以在任意电压下运行。

马里兰大学设计的新型电池具有另外一项不同寻常的功能，它使用草来存储能量。团队为了制造这种电池，将肯塔基蓝草叶片浸泡在锂盐溶液中。这些在草叶中来回运输营养物质的通道，便是容纳溶液的理想管道。

（图片来源：参考资料【2】）

研究团队设计了一种用于演示的电池，它看上去就像两个内部具有一片草叶的玻璃管，每个玻璃管的顶部都连接着一根金属细线。随着存储的电能缓慢释放，这根线就成了电子从电池的一端流向另外一端的通道。每个玻璃管的另外一端是一个金属锥尖，离子电流会流过它。

研究人员证明，将电池的两端与浸泡在锂盐溶液中的棉绳的任意一端相接触，中间会有一个染成蓝色的铜离子，离子电流便形成了。在离子电流中，铜离子沿着绳子向着带负电荷的电极移动，这与研究人员的预测一致。

片来源：参考资料【2】）

马里兰大学学院市分校材料科学和工程系的研究生、论文的第一作者 Chengwei Wang 称：