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孔彪/李勇AFM: 基于纖維素氣凝膠-明膠固體電解質(zhì)的可植入/生物降解鋅離子電池

瞬態(tài)器件是一種新興的電子器件，其主要特點(diǎn)是構(gòu)成材料在完成任務(wù)后可以通過化學(xué)/物理過程完全/部分降解，因而被認(rèn)為是可植入器件的新研究方向。然而，瞬態(tài)器件的研究仍處于起步階段，尤其是瞬態(tài)能量器件的發(fā)展相對(duì)緩慢。

在此，復(fù)旦大學(xué)孔彪研究員及齊魯工業(yè)大學(xué)李勇助理研究員等人報(bào)道了一種基于可生物降解的纖維素氣凝膠-明膠（CAG）電解質(zhì)的完全可生物降解的瞬態(tài)鋅離子電池（TZIB），該電池由高度柔性的絲蛋白薄膜、原位蒸發(fā)的金薄膜、絲網(wǎng)印刷的鋅薄膜和MnO₂/rGO混合材料分別作為封裝層、集流體、負(fù)極和正極材料組裝而成。

這種新型可完全降解的CAG固體電解質(zhì)使TZIB能夠?qū)崿F(xiàn)可控降解和穩(wěn)定的電化學(xué)性能同時(shí)保持優(yōu)異的機(jī)械性能，整個(gè)電池裝置可以在緩沖的蛋白酶K溶液中在30天內(nèi)完全降解。此外，該能源系統(tǒng)不含任何有毒重金屬離子或有機(jī)電解質(zhì)。

圖1. 纖維素氣凝膠框架的超組裝合成路線示意圖

更重要的是，TZIB 在滿足可控降解的同時(shí)具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在 61.6 mA g^-1的電流密度和寬電壓范圍（0.85~1.9 V）內(nèi)可提供211.5 mAh g^-1的比容量，輸出電壓穩(wěn)定可達(dá)1.6 V。通過引入CAG固體電解質(zhì)和增塑絲素蛋白封裝，可在不影響電化學(xué)性能的情況下提高TZIB的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性。制造的電池在體外和體內(nèi)幾乎可以完全降解，降解過程中產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)宿主（大鼠）無毒無害。

該研究首次實(shí)現(xiàn)了高柔性、高機(jī)械性能、高生物相容性的完美結(jié)合，同時(shí)保持了高電池性能。此外，TZIB在滿足上述條件的同時(shí)表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能，使得瞬態(tài)能量器件能夠在無線充電的配合下在生理環(huán)境中工作。因此，這些結(jié)果證明了TZIB在未來臨床應(yīng)用中的潛力，并為瞬態(tài)電子技術(shù)提供了一個(gè)新平臺(tái)。

圖2. 封裝鋅薄膜電池的器件結(jié)構(gòu)、放電性能和生物降解曲線

Super-Assembled Hierarchical Cellulose Aerogel-Gelatin Solid Electrolyte for Implantable and Biodegradable Zinc Ion Battery, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202111406

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