可伸缩的“果冻”电池可能会改变可穿戴设备和脑植入物

两个研究团队分别开发了可以拉伸和变形而不失功能的柔性电池，这可能会彻底改变可穿戴技术和生物医学植入物的电源。

中国南京大学的一个团队创建了一种锂离子电池，可以拉伸至原始长度的5000%。研究人员表示，这为“可拉伸储能装置的开发开辟了新途径”。

根据美国化学学会的一份报告，可穿戴或植入设备需要柔性电源，先前的方法依赖于编织织物或折叠组件，如“折纸”。

报告指出：“对于真正可塑的电池，每个部分——收集电荷的电极和平衡电荷的中间电解质层——都必须是弹性的”，并补充说使用流体也存在挑战。因此，该团队开发了一种特殊的聚合物。

在他们的实验的简要总结中，该团队解释说，他们使用了乙二醇、甲醚丙烯酸酯和银纳米线等材料来制造可以转移到柔性基底的电极。他们还合成了一种优越的可拉伸聚合物电解质来制造电池，表现出优异的机械性能和电化学性能。

“由于高电子导电性，电极可以在初始和100%拉伸状态下点亮LED，”研究人员观察到。该团队分享了一张拉伸前后都能点亮的电池供电LED的图片。

尽管有希望，南京大学的原型目前只能通过大约70个完整的充放电循环来保持健康，远少于标准锂电池的300-500个循环，性能下降开始之前。

报告总结道：“仍有改进空间，但这种全新的可拉伸固态电池制造方式可能是可穿戴或植入设备的有希望的进步。”

受鳗鱼启发

与此同时，在英国，剑桥大学的研究人员发表了关于他们自己柔性电源的发现，称其为“果冻电池”。这种方法受到电鳗的启发，模仿了它们电细胞的分层结构——有机柔性组织能够传导电流。

“设计一种既具有高度可拉伸性又具有高度导电性的材料是困难的，因为这两种性质通常是相互矛盾的，”首席作者史蒂芬·奥尼尔在一份新闻稿中表示。

剑桥团队的电池利用了水凝胶，这是含有60%以上水分的聚合物三维网络。这些结构也可以拉伸并恢复形状，而不会失去功能。

“在这里，我们合成了超分子聚离子网络，具有高拉伸性（>1500%）、可压缩性（>90%）和快速自我恢复，”该项目的研究论文中写道。

果冻电池的层之间由于化合物分子形成的可逆键而具有很强的粘附力。

“超分子交联使得层状样品在界面处拉伸超过其初始长度的10倍以上后才会断裂，”论文解释道。

团队负责人奥伦·谢尔曼是一位教授，也是梅尔维尔聚合物合成实验室的主任，他与奥尼尔和该大学工程系的乔治·马利亚拉斯教授合作。

“我们可以定制水凝胶的机械性能，使其与人体组织相匹配，”谢尔曼在新闻稿中表示。“由于水凝胶中不含金属等刚性组件，水凝胶植入物被人体排斥的可能性要小得多，也不会导致瘢痕组织的积聚。”

剑桥团队建议，他们的果冻电池也可以植入大脑，用于输送药物或治疗癫痫等疾病。除了其柔韧性，水凝胶还表现出非凡的韧性，能够承受压缩而不会永久变形，并且在受损时能够自我修复。

这些技术的发展是全球性的优先事项。世界经济论坛认可柔性电池为“2023年十大新兴技术”之一。这些进步有望扩大可穿戴设备、物联网应用、柔性智能手机和脑-计算机界面（BCI）等领域的可能性。