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Nano Letters:眼泪做电池电解液,这也能行?

Nano Letters:眼泪做电池电解液,这也能行?

Nano Letters:眼泪做电池电解液,这也能行?

Nano Letters:眼泪做电池电解液,这也能行?

研究背景

随着人们对可穿戴设备需求的不断增加,各种类型的电池已被开发满足特定应用的需求(如小尺寸、机械稳定性、灵活性和安全性的需求)。戴在眼睛上的可穿戴设备,即智能隐形眼镜,将会受特别关注,因为它具有从健康监测到数字娱乐的巨大潜在应用。考虑到电池破损会对眼镜产生极大的损害,所以电池需要有足够的安全性。


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成果简介

近日,韩国科学技术院Tae-Hyun Bae和新加坡南洋理工大学Seok Woo Lee合作,以“Tear-Based Aqueous Batteries for Smart Contact Lenses Enabled by Prussian Blue Analogue Nanocomposites”为题,在Nano Letters上发表最新研究成果,提出了一种柔性水系电池,为智能隐形眼镜提供安全电源,可在眼泪中工作。碳纳米管和普鲁士蓝类似物(PBA)的纳米复合物分别作为正极和负极,被嵌入在紫外聚合的水凝胶中,不仅可作为软隐形眼镜,而且可作为离子可渗透隔膜。该电池在0.15 M钠离子和0.02 M钾离子的水电解质(相当于泪液的离子浓度)中,表现出155 μAh的放电容量。电池功率足以运行低功耗静态随机存取存储器。此外,作者验证了电池的机械稳定性、生物相容性和与隐形眼镜清洗液的相容性,未来可以为智能隐形眼镜提供安全的电源,而不会因电池泄漏或破损而造成伤害。


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研究亮点

(1)提出了一种用于智能隐形眼镜的柔性、生物兼容的水系电池

(2)普鲁士蓝类似物作为正极和负极,允许电池在没有额外包装的情况下,依靠眼泪中的钠离子和钾离子运行

(3)电池的功率足以运行低功率微处理器,并且电池的弯曲不会影响充电和放电的整体行为


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图文导读

如图1a所示,电池由水凝胶和电极组成,嵌入柔性隐形眼镜中。水凝胶不仅作为结构材料形成柔性隐形眼镜,而且作为电池的凝胶电解质。该电池不存在电解质泄漏或眼睛接触活性物质的安全问题,因为它可以在没有额外电解质的泪液中工作。50 μm厚电极的横截面SEM图像显示,活性材料均匀分布在多孔基体中(图1b)。

含PBA纳米复合材料的薄膜电极被切割成C形,并在浸入去离子水中时从基底上释放。然后使用模具将C形电极改造成半球形状,在模具中水凝胶通过紫外线辐射聚合(图1c)。内径足够大,视线不会被电极阻挡,而外径小于传统隐形眼镜的直径(图1d,e)。图1f显示了嵌入在水凝胶中的完整电池的横截面图像。电极被水凝胶密封,并很好地分开。电极和水凝胶的总厚度为220 μm,在传统隐形眼镜的厚度范围内。

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图1 嵌入柔性隐形眼镜的电池。(a)由多孔电极和水凝胶制成的电池示意图;(b)电极的横截面SEM图像;(c)使用模具制造带有电极的紫外线聚合水凝胶的过程示意图;(d)一个电池和(e)一个假眼上的电池照片;(f)电池的横截面光学显微镜图像。

图2显示了纳米复合材料负极和正极的电化学特性,电极被浸在实验室制备的人工泪液中。人工泪液是包含0.15 M氯化钠(NaCl)和0.02 M氯化钾(KCl)的水溶液,用氢氧化钠溶液将酸碱度调至7。图2a显示了泪液中PBAs的工作原理示意图。当两种离子共存于水电解质中时,钾离子首先插层,而钠离子没有插层位置。

为了研究离子在泪液中的电荷输运行为,测量了普鲁士蓝的循环伏安(CV)曲线(图2b)。结果显示,泪液中的钠离子不参与氧化还原反应。在电位限制的充放电中,CuHCFe正极在0.6~1.1 V电压之间100 μA电流下,可释放176.6 μAh(46.1 mAh/g)的氧化容量,而FeHCFe负极在0.1~0.6 V电压范围内,在100 μA电流下显示出181.8 μAh(41.9 mAh/g)的还原容量 (图2c,d)。通过将容量除以每个电极的体积计算出体积容量,正极和负极分别为35.3和36.4 mAh cm-3

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图2 PBA基电池的工作原理。(a)眼泪中的CuHCFe和FeHCFe;(b)眼泪中正极和负极的循环伏安曲线;(c)正极和(d)负极的恒流充放电曲线。

图3显示了浸在泪液中的水凝胶隐形眼镜中的全电池性能。在水凝胶的紫外聚合过程中,碳丝被连接到纳米复合材料电极上(图3a)。电池在100 μA时的放电容量为155.4 μAh,截止电压为0.2和0.9 V(图3b)。通过将容量除以电极的总体积,计算出的全电池的体积容量为15.5 mAh cm-3在第50次和第100次循环中,容量分别保持在72.8%和63.3%(图3c)。倍率性能显示,电池最大功率为0.318 mW,最大能量为285 mJ。图3e显示了电池的阻抗谱测量的Nyquist图,电池电阻为347 Ω,与常规电池相比,这是一个相对较高的内阻,因为碳纳米管集流体和碳丝的电导率较低。

测试电池在弯曲状态下的机械稳定性。手动变形时,电池的开路电压(OCV)在释放变形后迅速恢复(图3f)。通过在隐形眼镜的径向方向上施加压缩力来测试在重复变形下的电池表现(图3g)。电池可以在100个充放电周期内稳定工作(图3h)。经过机械测试的电池比原始电池的容量下降得更快,因为活性材料和碳纳米管之间的电接触在反复弯曲下会松动。但考虑到在隐形眼镜的实际弯曲变化要小得多,电池具有足够的机械稳定性,因此可以用作智能隐形眼镜的电源。

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图3 电池的电化学和机械测试。(a)通过碳丝连接到测量装置的电池;(b)人工泪液中电池的恒流充放电曲线;(c)循环性能和库仑效率。(d)倍率性能;(e)Nyquist图;(f)弯曲和释放时电池的开路电压;(g)使用机械测试仪弯曲和释放电池的照片;(h)反复弯曲和释放时的循环性能和库仑效率。

为评估电池的生物兼容性,对培养的细胞进行了细胞毒性实验,同时对电池进行了充电和放电(图4a)。图4b显示了细胞生长过程中的充放电曲线。电池具有异常高的充电容量。作者认为,由于培养基中的各种成分,在加料和培养过程中会发生一些副反应。然而,放电曲线是稳定的,并且与泪液中的相似。在电池循环过程中孵育24h后,分别拍摄活细胞和死细胞的显微图像(图4c)。与常规细胞培养对照和仅含水凝胶的对照相比,在电池样品中,在死细胞量和总细胞密度方面没有观察到明显的差异。这些结果表明,电池的充电和放电不会显著影响细胞的生存能力。

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图4 电池的生物相容性测试。(a)培养基中电池的照片;(b)细胞生长时,培养基中电池的充放电曲线;(c)电池工作时,活细胞和死细胞的显微镜图像。

日常使用的隐形眼镜在不佩戴时必须存放在清洁液中。作者检查了电池与商用清洁溶液的兼容性(图5a)。电池在100 μA下循环,截止电压为0.2和0.9 V。即使在含有各种消毒和蛋白质去除添加剂的溶液中,电池也呈现稳定的充放电曲线(图5b)。长循环性能测试表明,容量保持率甚至比在泪液中更好,并且库伦效率为97.5% (图5c)。

测试了电池向低功耗静态随机存取存储器供电的能力,静态随机存取存储器是可穿戴设备中信号处理和数据存储的关键集成电路组件。图5d显示了静态随机存取存储器和电池连接的电路图。使用函数发生器将所需的电信号施加到静态随机存取存储器,并用示波器测量输出信号(图5e)。结果表明,该电池与隐形眼镜的传统清洁方法兼容,并可为未来集成智能隐形眼镜的微处理器提供电源,用于各种应用。

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图5 电池在清洗液中工作和集成电路供电。(a)浸泡在清洗液中的电池照片。清洗液中电池的充放电曲线(b)、循环性能和库仑效率(c)。(d)静态随机存取存储器电路图和电池;(e)静态随机存取存储器的测量波形。


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小结与展望

作者开发了一种嵌入柔性水凝胶隐形眼镜的电池,并在没有额外包装的人工泪液中演示了其操作。在环境条件下,电池在泪液中表现出稳定的充电和放电行为。该电池在反复变形下具有机械稳定性,并且具有生物兼容性。电池的电源足以运行一个低功耗的微处理器,即静态随机存取存储器。这种电池在生物植入设备方面具有巨大的潜力,不仅包括智能隐形眼镜,还包括可佩戴的生物传感器。


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文献链接

Tear-Based Aqueous Batteries for Smart Contact Lenses Enabled by Prussian Blue Analogue Nanocomposites (Nano Letters, 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04362)

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04362?ref=pdf


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