电鳗有怪异的放电能力，能发生足以将人击昏的电流，有“水中高压线”之称。而浓差电池的总反映进程是电池系统中存在物资的浓度梯度，经由过程物资的浓差分散实现电能输出。

一个是会放电的水生生物，一个是可储能的化学电池，它们能有啥联系关系？中南年夜学化学化工学院传授纪效波团队研究发现，电鳗是完善操纵离子浓度梯度放电的最典型代表，他们借助该道理操纵两种水凝胶进行堆叠构成梯形“发电层”，打造出电鳗型双离子梯度电池，并受折纸艺术开导制备出可折叠3D电池。

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电鳗放电道理示意图。受访者 供图

近日，该功效颁发在《美国化学会利用材料与界面》（ACS Applied Materials Interfaces）上，中南年夜学硕士研究生肖湘婷为论文第一作者，纪效波为通信作者。

热点研究范畴里的冷门标的目的

电池是新能源汽车、储能、消费电子等范畴的主要支持。跟着我国新能源汽车市场等范畴的快速成长，电池市场需求延续增加。

此中，以锂离子电池为代表的二次储能电池今朝占有市场主导地位并阐扬要害感化。但金属资本有限与平安隐患等潜伏问题限制其久远利用，是以新型储能装配的设计与制造逐步引发业内助员的存眷并掀起研究高潮，固态电池、纳米电池等电池手艺频获冲破，进步前辈产物层见叠出。

在这个热点研究范畴里，浓差电池研究仿佛有点被“萧瑟”。

“放眼国际、国内，专门研究浓差电池的团队其实不多，也鲜有重年夜功效。”中南年夜学传授、纪效波科研团队成员侯红帅说，浓差电池固然很早之前就被科学家说起，但这类电池没有具体化的器件，电压偏低，也没有很好的利用落地案例，是以一向没遭到足够正视。

作甚浓差电池？从成分来看，浓差电池只由正极、负极和电解液构成，它分为电极浓差电池和电解质浓差电池，前者是因为电极自己活性物资浓度的不同而引发的电势差，后者是因为电池中电解质浓度的差别所引发的电极电势差别，是以浓差电池电极电势的巨细与电解质溶液浓度有关。

浓差电池的总反映进程仅仅是单质或离子等一种物资从高浓度状况向低浓度状况转移的进程。实际糊口中，海水盐产能发电就是最典型的利用代表。据报导，全球的海水盐差的能量资本可高达30亿千瓦。

为充实开辟操纵这类能量，科学家操纵浓差电池道理，在离子互换膜距离的两个容器平分别装入海水和江河水并别离插入电极，如许即可搭建一个简单的电解质浓差电池，海水中高浓度的钠离子或氯离子可自由分散到低浓度江河水中，只要海水和江河水盐浓度不不异，二者的电势就一向存在，也便可以延续发电。

今朝，已有很多企业从事盐产能发电的研究，例如挪威的Stat-Kraft公司早在2009年就率先完成10千瓦盐产能的示范装配。

离子浓差不敷 “搭梯子”来凑

浓差电池的要害之一在在浓度梯度的构建，离子梯度越年夜，发生的电压也就越年夜。现实上，浓度梯度是天然界生物体中遍及存在的现象，细胞表里只有保持特定离子浓度差别和连结固定的膜电位，才能确保生命勾当的正常进行，浓度梯度的杂乱常常致使生命的竣事。

浩繁动植物中，电鳗无疑是完善操纵离子浓度梯度放电的最典型代表，其体内摆列着6000至10000枚肌肉薄片，薄片之间由结缔组织距离，并有很多神经纵贯中枢神经系统，每枚肌肉薄片就是一个发电细胞，也就是一个微型浓差电池。

“简单来讲，当发电细胞被神经旌旗灯号刺激时，细胞前膜上的钠离子通道打开，细胞外的高浓度钠离子流入细胞内低浓度区域，这一分散进程会发生65毫伏电压；同时，在细胞后膜上的钾离子通道开启，胞内高浓度钾离子流出细胞，并陪伴着85毫伏电压发生。是以一个发电细胞就有0.15伏的电压。”肖湘婷说。

值得留意的是，电鳗体内存在着不计其数个如许的微型电池，且所有这些电池都被串连和并联起来，是以电鳗头尾之间便可累加发生最高达800伏的电压和足够年夜的电流。已有科学家对电鳗放电能力进行研究，发现其可以自由节制放电时候和强度。电鳗首要操纵这类放电能力来捕食猎物和感知四周情况以防御仇敌。

最近几年来逐步有研究者操纵电鳗特征设计新型储能和转换装备，例如湿度发机电、离子选择性膜和柔性超等电容器，但都处在新兴成长阶段。

“我们发现电鳗的放电道理刚好与浓差电池近似，且可填补浓差电池的缺点。”纪效波说，电解质消融度有限，意味着其浓度不成能无穷年夜，那末离子浓度梯度也不成能如料想的那末年夜，可发生的电压阈值也较低。“电鳗的发电道理刚好可以或许解决该困难。设计的浓差电池数目足够多，其整体电压值便可一向上升。”

早在2017年，就有研究者初次经由过程模拟电鳗设计了一种四聚体凝胶电池，即选用四种水凝胶膜别离对应电鳗体内的细胞外溶液、细胞内溶液、选择性细胞前膜和选择性细胞后膜，一个电池平都可以发生0.18伏摆布的电压。但这类凝胶电池制备进程繁琐，电池组分复杂，限制了后续的电池扩大。

在此根本上，纪效波科研团队连系电鳗放电道理和传统浓差电池根本理论，设计了一种新型的简单、柔性、平安和易范围集成的浓差电池，一个浓差电池可发生的电压值接近发电细胞发电能力的4倍。

“团队那时面对的第一个困难就是离子梯度若何修建，这触及到存储离子的载体材料和可释放自由离子的电解质种类。”纪效波说，颠末3个月的文献调研和尝试方案调剂，团队终究肯定选用聚乙烯醇作为水凝胶基底，构建亲水性收集，缔造足够的水情况来贮存离子。

为确保水凝胶的快速成胶和液体情况中存在自由离子，研究人员并未选用经常使用且耗时久的冷冻-解冻法和有毒性的化学交联法，而是选用甘油和水作二元溶剂，三者间极易经由过程丰硕含氧官能团构成氢键，由此加速水凝胶成胶速度，年夜年夜节流原料和时候本钱。

紧接着，研究人员试图寻觅各类电解质材料。“它需要知足两个前提，一是年夜份子骨架可与聚乙烯醇和甘油上的羟基成键以限制主体分散，二是可发生尽量多的游离阳离子或阴离子。”肖湘婷说，团队对10余种潜伏电解质材料进行测试，拔取出机能最优的2种材料——植酸钠和和壳聚糖季铵盐。

“我们肯定了富含丰硕钠离子的水凝胶和富含丰硕氯离子的水凝胶，将这两种水凝胶进行堆叠构成‘发电层’后，便有两个浓度梯度构成，再将发电层与电极组合，双浓度梯度的浓差电池就构成了。”肖湘婷说。终究，团队经由过程布局优化使浓差电池开路电压达0.54伏并连结不变约2小时。

受折纸开导打造可折叠3D电池

虽然纪效波科研团队研发的浓差电池已远超电鳗发电细胞的放电能力，但其仍面对第二个困难——电池的范围集成，这是浓差电池能落地利用的要害。

为此，团队模拟电鳗电细胞的串连布局，经由过程程度堆叠方式实现了浓差电池的串连设计，电压数值可随串连数量的增添不变增加，126个电池单体毗连可发生高达60伏的电压。

更有趣的是，团队受折纸艺术的开导，经由过程非凡的Miura-ori策略将56个电池单体整合在一张纸上，构成可折叠的3D电池，可刹时发生22伏摆布电压。集成的浓差电池也被证实可以给现实电子装备供电，证实其具有现实利用潜力。

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团队开辟的可折叠3D电池。受访者 供图

“该研究既是对传统浓差电池概念的立异，也是仿生学利用的又一实例。”纪效波暗示，团队设计的双离子梯度浓差电池建造本钱低、布局简单、平安、柔性、可降解，电机能可随现实需求转变，能知足将来可穿着和植入装备需求。

瞻望将来，纪效波暗示将在此次功效根本上，继续寻觅电离能力更强的“发电”材料，深切解析转变浓度下离籽实时分散机制，优化电池集成法式，提高浓差电池在分歧利用场景下的布局和机能不变性。

该论文审稿人认为，这项功效陈述了一种独具创意的新型电源——电鳗型双离子梯度电池；聚阳离子水凝胶和聚阴离子水凝胶与电极接触发生电机能，到达了0.54伏的单元电压；研究者经由过程几种摹拟电鳗的堆叠体例，实现了电池的串并联。

相干论文信息：https://doi.org/10.1021/�뵺����acsami.3c13008

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