世界首個「離子電流」電池問世:生物相容性良好!

2020-12-07 環球創新智慧

導讀

最近，美國馬裡蘭大學的工程師們發明了一種具有生物相容性的全新電池。這種離子電流電池能夠產生出基於離子的電能，它與人類和其他生物系統所用的電能屬於同一種類型。

關鍵字

電池、生物、醫療

背景

在我們的身體中，流動的離子（鈉、鉀和其他電解質）所形成的電信號，不僅能夠為大腦提供能量，還可以控制心率和肌肉運動等等。也就是說，生物系統的細胞運作需要離子電流。

可是在傳統電池中，電能或者電流都是以電子運動的形式流動。傳統電池產生的電流，是在電池內部，將陽離子從電池的一端（電極）移動到另外一端，而在電池的外部只能以提供「電子形式的電流」。

創新

然而，美國馬裡蘭大學進行獨到的創新研究，發明了一種新型電池，也稱為「電子電池」。它的工作方式恰恰相反：它在電池內部移動電子，而在外部以離子流動的形式傳遞能量。這也是科學家們首次發明一種產生離子電流的電池。

（圖片來源：參考資料【2】）

對此，電池開發小組的領頭人、馬裡蘭大學學院市分校的材料科學教授 Liangbing Hu 介紹說：

「我的發明是與人類系統交互的離子系統，所以我提出了反向的電池設計。在傳統的電池中，電子通過電線流動，與電子設備交互，而離子流過電池隔板。在我們的反向設計中，傳統的電池被通過電子方式短路（這意味著電子流過金屬線）。然後，離子必需流過外部的離子電線。在這個方案中，離子線（這裡是指草纖維）中的離子，能與生物系統產生交互。」

以下是研究人員論文中的一張圖，它更直觀地闡明了這個設計理念：

(a) 傳統電池（左）和電池電池（右）。對於傳統電池來說，陽極和陰極由離子介質分開，離子通過這種介質擴散，而電子則通過外部電路傳輸；對於電子電池來說，電子介質用於在電池內部傳導電子，而離子則通過外部電路傳輸。

(b) 電流-電壓曲線的插圖，分別代表了傳統電池和電子電池和離子系統交互的情況。電氣電極的曲線顯示，電化學反應發生的地方有一個起始電壓(VE)。離子電極的運行情況則不同（遵循歐姆定律），電流隨電壓線性變化。

（圖片來源：參考資料【2】）

Hu 與其同事們的相關研究於7月24日，發表在《自然通信》刊物上。

技術

之前，科學家們一直在嘗試搞清楚這個問題：如何讓電池與生物系統具有相容性？

他們嘗試將電子電流轉化為離子電流，可是這種方案存在一個問題：電子電流需要達到一定的電壓，才能逾越電子系統和離子系統之間的鴻溝。可是在生物系統中，離子電流需要在非常低的電壓條件下流動。那麼，通過一個「補丁」將電子轉化為離子，感應電流會太高以至無法滿足運行需求，特別是對於大腦和肌肉而言。然而這個問題可以通過離子電流電池來消除，它可以在任意電壓下運行。

馬裡蘭大學設計的新型電池具有另外一項不同尋常的功能，它使用草來存儲能量。團隊為了製造這種電池，將肯塔基藍草葉片浸泡在鋰鹽溶液中。這些在草葉中來回運輸營養物質的通道，便是容納溶液的理想管道。

（圖片來源：參考資料【2】）

研究團隊設計了一種用於演示的電池，它看上去就像兩個內部具有一片草葉的玻璃管，每個玻璃管的頂部都連接著一根金屬細線。隨著存儲的電能緩慢釋放，這根線就成了電子從電池的一端流向另外一端的通道。每個玻璃管的另外一端是一個金屬錐尖，離子電流會流過它。

研究人員證明，將電池的兩端與浸泡在鋰鹽溶液中的棉繩的任意一端相接觸，中間會有一個染成藍色的銅離子，離子電流便形成了。在離子電流中，銅離子沿著繩子向著帶負電荷的電極移動，這與研究人員的預測一致。

（圖片來源：參考資料【2】）

馬裡蘭大學學院市分校材料科學和工程系的研究生、論文的第一作者 Chengwei Wang 稱：

「草中的這些微管道能夠容納鹽溶液，讓它們成為穩定的離子導體。」

然而，團隊計劃對他們能夠創造的離子電流電池的類型進行多樣化。Wang 說：

「我們計劃通過纖維素、水凝膠和聚合物，開發多種離子導體。」

價值

這並不是馬裡蘭大學的科學家們首次測試天然材料的新用途。Hu 和他的團隊之前一直在研究用於電子電池的纖維素和植物材料，通過木材創造出新型電池和超級電容，以及通過樹葉創造出新型電池。他們也將使用透明木材作為玻璃窗戶更加節能的替代品。

加州大學聖地牙哥分校納米工程的副教授 Ping Liu，他並沒有參與這項研究，他評論說：

「這項研究非常具有創造性，它的主要價值就是為生物系統提供離子流，並且不給它們帶來其他危險。最後，這項研究的影響真正在於，無論能否找到更小且生物兼容性更強的連接材料，細胞和組織的接口都將變得更加直接和高效。」

（圖片來源：參考資料【2】）

研究小組成員、位於馬裡蘭州貝塞斯達的國家衛生研究院的一部分：國家糖尿病、消化和腎臟疾病研究所（NIDDK）的在職科學家 Jianhua Zhang 博士說：

「可能的應用包括開發下一代的設備，用於神經元活動和交互的微操作，從而防止（和/或）治療這種類型的醫療問題，例如阿爾茨海默氏症和抑鬱症。」

Zhang 博士負責進行生物實驗，測試新型電池是否能夠成功的將電流傳輸至細胞。他說：

「這種電池可用於研究和臨床環境，開發殘疾人醫療設備，或者作為更加有效的藥物和基因傳遞工具，成為一種精準治療癌症或者其他內科疾病的方法。」

「展望科研領域，還有一個希望就是，這項發明將幫助建立起藥物和人類直接通信的可能性。」

參考資料

【1】https://www.umdrightnow.umd.edu/news/umd-engineers-invent-first-bio-compatible-ion-current-battery

【2】http://dx.doi.org/10.1038/ncomms15609

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