Nano Energy：高性能柔性固态微电池可用来驱动体内的医疗电子器件- 大数跨境

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Nano Energy：高性能柔性固态微电池可用来驱动体内的医疗电子器件

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2025-07-08

导读：高性能柔性固态微电池可用来驱动体内的医疗电子器件

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文章信息

面向生物医疗电子的基于PEDOT/MnO₂/CNTs的高电化学稳定性，高能量密度的锌离子柔性固态微型电池

第一作者：高崇杰

通讯作者：王诗任

单位：美国德州A&M大学

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研究背景

在过去的几十年中，研究人员设计并制造了多种可穿戴和可植入的微型生物电子器件，用于监测、诊断和治疗人类健康与疾病。快速增长的可穿戴与可植入电子市场对微型柔性储能器件（占地面积小于1 cm²）产生了强烈需求。由于其高能量密度、安全性和稳定性，电池被认为是最优的电源选择。传统的微型电池通常采用电缆式或块状（三明治）结构。然而，这些微电池多由刚性且体积较大的材料制成，在体内动态环境下容易产生缺陷，甚至发生不可逆的形变，从而成为促进枝晶生长的活性位点。部分微型电池还含有腐蚀性和有毒成分，如有机电解质，使其不适合作为生物电子器件的电源。此外，大多数柔性电池的正负极厚度仅为数微米，通常需要使用隔膜以避免电极直接接触。尽管如此，锌枝晶的生长仍可能穿透隔膜，导致内部短路。最重要的是，当前的电池由于采用三明治和电缆结构，再加上其与生物组织之间杨氏模量的差异，面临严重的体积过大和力学不匹配问题。因此，选择最优的电池结构以兼顾性能与微型化，是一个亟需深入研究的重要课题。

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文章简介

近日，来自美国德州A&M大学王诗任教授，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Coaxial Nanostructure of PEDOT/MnO₂/CNTs Enabled Flexible, Solid-state, and Miniature Zinc-Ion Battery for Wide Electrochemical Stability Window and High Energy-Density toward Bioelectronics Applications”的研究文章。王诗任教授团队合成了PEDOT/MnO₂/CNTs 多层核壳结构用于电池正极，同时采用宽电化学稳定窗口（ESW）的离子凝胶作为电解质，从而构建出准固态柔性锌离子电池。PEDOT/MnO₂/CNTs 的多层共轴纳米结构有效克服了锰溶解的问题，提升了电导率，并加速了离子扩散，表现出高容量（在 1.0 A/g 电流密度下达到 239.6 mAh/g）和高稳定性（循环 500 次后容量保持率为 95%，相比先进技术仅为 56%）。基于离子液体的离子凝胶电解质展现出高达 2.79V 的电化学稳定窗口，远高于目前常见的 1.81V。其计算出的能量密度为 459.1 Wh/kg，约为当前先进技术的 3 倍。在不同弯曲角度（0°、45°、90°、180°）下进行电化学性能测试，结果显示性能损失低于 6%。体外细胞测试进一步验证了其优异的生物相容性，细胞存活率接近 100%。

图1. 准固态微型锌离子电池（ZIB）相较于当前先进技术的总结。

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本文要点

要点一：电极材料的合成

PEDOT/MnO₂/CNTs 多层核壳复合材料的简要制备方法：首先合成 MnO₂/CNTs 核壳结构，然后通过浸涂法将其涂覆在碳布上形成电极。接着采用电化学聚合法在其表面沉积 PEDOT，最终获得 PEDOT/MnO₂/CNTs 多层核壳纳米复合材料。

图2. 电极材料的合成及结果

要点二：电解液的制备

将 Zn(CF₃SO₃)₂ 和 Mn(CF₃SO₃)₂ 溶解于离子液体 [Bmim][TfO] 中，搅拌 2 小时后加入 DMAA 单体继续搅拌 6 小时。随后加入少量交联剂 MBA 和引发剂 KOA，混合均匀后倒入 PTFE 模具中，在 365 nm 紫外光下原位聚合 2 小时，制得厚度约 0.4 mm 的离子凝胶电解质。

图3. 电极液的制备及表征

要点三：准固态微型锌离子电池的制备

首先制备 PDMS 基底并打印指叉共面电极掩膜。正负极浆料分别由 PEDOT/MnO₂/CNTs 和锌粉与导电剂、粘结剂混合而成。使用掩膜和刮涂法将正负极图案印刷在 PDMS 基底上，干燥后加入电解质前驱体，并在紫外光下固化，形成准固态结构。最终得到尺寸为 9 × 9 mm、厚度约 0.9 mm 的微型锌离子电池。通过光学和电子显微镜确认电极排列及材料均匀性。

图4. 微电池的制备及微观结构

要点四：性能表征

该电池在电流密度为 0.2、0.5、1、2 和 5 A/g 时，分别表现出 332.7、277.5、238.5、163.2 和 96.1 mAh/g 的容量。当弯曲角度从 0° 增加到 180° 时，微型锌离子电池在 1 A/g 电流密度下的容量几乎没有变化，仅从 237.7 mAh/g 略微下降至 221.3 mAh/g(图5)。准固态微型锌离子电池的机械性能：离子凝胶电解质具有高达 720% 的拉伸性能，杨氏模量仅为 66.2 kPa；而 PDMS 基底的拉伸性能约为 265%，杨氏模量为 13.7 kPa（图6）。为了评估其生物相容性，进行了体外细胞测试，如图 6所示。在纯细胞培养基和处理后的培养基中培养 24 小时后，评估了 HUVECs（人脐静脉内皮细胞）的细胞活力。结果显示两组样品之间无显著差异（P = 0.0858），表明该微型锌离子电池具有优异的生物相容性。

图5. 电化学性能

图6. 微电池机械性能，生物相容性，驱动LED灯

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文章链接

“Coaxial Nanostructure of PEDOT/MnO2/CNTs Enabled Flexible, Solid-state, and Miniature Zinc-Ion Battery for Wide Electrochemical Stability Window and High Energy-Density toward Bioelectronics Applications”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285525006627

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通讯作者简介

王诗任教授是美国德州A&M大学工业与系统工程系教授，并兼任生物医学工程与材料科学与工程系教授。他的研究涵盖增材制造（3D 打印）、纳米与生物制造、智能材料与类脑人工智能集成制造等前沿方向。王教授曾获得 International society of advanced materials fellow, TEES Faculty Fellow, Jill and Charles F. Milstead Faculty Fellow, NSF CAREER 奖、3M 青年教师奖等多项荣誉，发表论文超过130篇，国际专利6篇，Google Scholar 引用逾11,600次，h指数50。他还担任国际学术期刊编辑和编委工作，并在跨学科智能制造与先进功能材料领域发挥了重要影响力。目前王诗任教授团队受到美国能源部，环境部，自然基金等资助。毕业的博士生和博士后在美国和中国大学及公司就职（比如位于美国的ASML公司， Applied materials公司， Apple Inc，位于中国的华为公司等），欢迎感兴趣，具备自我激励能力的人员加入，包括博士和博士后（课题组主页：nano.engr.tamu.edu）。