来自复旦大学的柔性钠电，生理盐水做电解质

生理盐水也能做电池的电解质？是的，你没看错。这要从可穿戴电子设备和植入型电子医疗设备说起。

作为当下大热的发展方向，可穿戴电子设备被不少人认为能够如同智能手机一般深入改变生活。既然“可穿戴”，那么这种电子设备就要有足够的柔性，在人体做各种动作时都能正常工作并且不会引起穿戴者的不适。目前的问题在于可穿戴电子设备的“心脏”——电池。传统电池是刚性的，放在可穿戴设备中比较勉强，而且安全性也存有隐患；而目前开发的柔性电池以及超级电容器，所用电解质多含强酸、强碱或易燃有毒的有机物，如果在反复弯曲或扭曲的过程中突发泄漏或者起火燃烧，会给穿戴者带来严重的伤害。与可穿戴电子设备所面临的问题类似，植入型电子医疗设备也需要柔性且安全的电池。

最近，复旦大学的王永刚教授（点击查看介绍）和彭慧胜教授（点击查看介绍）等研究者做出了重要突破，他们发明了一种安全的柔性水系钠离子电池，直接使用生理盐水以及细胞培养基作为电解质。或许在不久的将来，我们就不用再担心电池电解液泄漏和起火带来的安全隐患，甚至可以制造出更安全更放心的植入型电子医疗设备。相关工作发表于Chem 杂志，郭昭薇为第一作者，赵阳为并列第一作者。

柔性水系钠离子电池。图片来源：Chem

研究者使用Na_0.44MnO₂做正极，NaTi₂(PO₄)₃@C做负极，设计了两种柔性电池：2D带状电池和1D纤维状电池。前者是将电极密封在柔性不锈钢丝网上，而后者是在碳纳米管纤维中嵌入活性电极纳米颗粒。当使用生理盐水或细胞培养液作为电解液时，电池仍能正常工作，说明了其在植入式电子设备中的潜在应用价值。该工作受到了C&EN ^[1]、新华网^[2]等媒体的关注和报道。

带状柔性水系钠离子电池可完全为U型。图片来源：Chem

尽管没有锂离子电池名气大，实际上钠离子电池的研究与锂离子电池几乎同时起步。不过，由于体积较大的钠离子在嵌入反应过程中容易导致主体晶格的较大形变，造成晶体结构坍塌，会影响电极材料的循环稳定性。^[3] 自从1994年Dahn等报道了基于V₂O₅负极、LiMn₂O₄正极、Li₂SO₄水溶液作为电解质的锂离子电池之后，^[4] 水系电池的设计便展开了，在这几年更是有了很多研究突破和进展。而钠离子电池以其原材料价格低廉的绝对优势，更是大有赶超锂离子电池的势头。

水系钠离子电池充放电原理示意图。图片来源：《储能科学与技术》

2D带状电池

研究者制备的带状电池具有良好的柔韧性，可以反复弯曲和折叠。电性能测试表明，初始放电容量为43 mAh•g^-1（电流密度0.1 A•g^-1），循环1000次后的库仑效率接近100%，容量保持率约为60%。同时，该电池具有良好的高倍率放电性能，充放电电流密度可以从0.1 A•g^-1升高至10 A•g^-1。再来关注一下电池弯曲时的电性能，测试过程中的不同角度弯曲，几乎没有导致电池的容量衰减或极化增加。

带状电池结构示意图。图片来源：Chem

带状电池电性能测试。图片来源：Chem

1D纤维状电池

将水系钠电制成纤维状电池还是首次见诸报道。研究者采用碳纳米管纤维负载活性纳米颗粒做电池的正负极，全电池放电容量为46 mAh•g^-1（电流密度0.1 A•g^-1）。尤其是在180度对折100次后，电池的恒电流充放电曲线几乎保持不变，表现出了柔性电池的高度稳定性。

纤维状电池结构示意图。图片来源：Chem

纤维状电池正负极扫描电镜照片。图片来源：Chem

纤维状电池循环性能和恒电流充放电性能测试。图片来源：Chem

此外，在生理盐水或细胞培养基中，纤维状电极可以消耗O₂并改变pH值，这种电化学除氧过程有望用于生物研究和医学领域，甚至有可能用于治疗细菌感染乃至癌症等疾病。

氧还原过程机理示意图。图片来源：Chem

当然，这种使用生理盐水作为电解质的柔性水系钠离子电池还只是处于实验室阶段，还有更多的工作要做以改进电化学性能。不过安全、柔性、可穿戴、成本低这些优点足以让柔性水系钠离子电池成为一个重要的未来电池发展方向。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multi-functional Flexible Aqueous Sodium-Ion Batteries with High Safety

Chem, 2017, 3, 348-362, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.05.004

导师介绍

王永刚

http://www.x-mol.com/university/faculty/9702

彭慧胜

http://www.x-mol.com/university/faculty/45846

参考资料：

1. http://cen.acs.org/articles/95/web/2017/08/Flexible-batteries-safe-aqueous-electrolytes.html

2. http://news.xinhuanet.com/2017-08/12/c_1121472930.htm

3. 水系钠离子电池的现状及展望. 《储能科学与技术》，2016，5(3)：317-323

4. Rechargeable Lithium Batteries with Aqueous Electrolytes. Science, 1994, 264, 1115

（本文由小希供稿）