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

孔彪/李勇AFM: 基于纖維素氣凝膠-明膠固體電解質的可植入/生物降解鋅離子電池
瞬態器件是一種新興的電子器件,其主要特點是構成材料在完成任務后可以通過化學/物理過程完全/部分降解,因而被認為是可植入器件的新研究方向。然而,瞬態器件的研究仍處于起步階段,尤其是瞬態能量器件的發展相對緩慢。
孔彪/李勇AFM: 基于纖維素氣凝膠-明膠固體電解質的可植入/生物降解鋅離子電池
在此,復旦大學孔彪研究員及齊魯工業大學李勇助理研究員等人報道了一種基于可生物降解的纖維素氣凝膠-明膠(CAG)電解質的完全可生物降解的瞬態鋅離子電池(TZIB),該電池由高度柔性的絲蛋白薄膜、原位蒸發的金薄膜、絲網印刷的鋅薄膜和MnO2/rGO混合材料分別作為封裝層、集流體、負極和正極材料組裝而成。
這種新型可完全降解的CAG固體電解質使TZIB能夠實現可控降解和穩定的電化學性能同時保持優異的機械性能,整個電池裝置可以在緩沖的蛋白酶K溶液中在30天內完全降解。此外,該能源系統不含任何有毒重金屬離子或有機電解質。
孔彪/李勇AFM: 基于纖維素氣凝膠-明膠固體電解質的可植入/生物降解鋅離子電池
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具有優異的電化學性能,在 61.6 mA g-1的電流密度和寬電壓范圍(0.85~1.9 V)內可提供211.5 mAh g-1的比容量,輸出電壓穩定可達1.6 V。通過引入CAG固體電解質和增塑絲素蛋白封裝,可在不影響電化學性能的情況下提高TZIB的柔韌性和機械穩定性。制造的電池在體外和體內幾乎可以完全降解,降解過程中產生的物質對宿主(大鼠)無毒無害。
該研究首次實現了高柔性、高機械性能、高生物相容性的完美結合,同時保持了高電池性能。此外,TZIB在滿足上述條件的同時表現出更好的循環性能,使得瞬態能量器件能夠在無線充電的配合下在生理環境中工作。因此,這些結果證明了TZIB在未來臨床應用中的潛力,并為瞬態電子技術提供了一個新平臺。
孔彪/李勇AFM: 基于纖維素氣凝膠-明膠固體電解質的可植入/生物降解鋅離子電池
圖2. 封裝鋅薄膜電池的器件結構、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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