首个生物兼容离子电流电池，可防治抑郁症和老年痴呆？
来源：宝鄂实业
2019-03-08 10:32
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今日文章分为两个部分，主题是未来的电池。第一部分是工程师发明出第一个生物兼容的离子电流电池，让机器直接与人类交流有了可能。这种电池未来也许可以用来为残疾人开发医疗设备，或者为更高效的药物和基因递送工具提供研究和临床的工具；第二部分是关于电池未来系列文章的一部分。怎样才能制造出我们需要的电池来为家庭、运输和工业提供动力，以及什么阻碍了电池的发展？
编译:LY
一
马里兰大学的工程师们发明了一种全新的电池，它产生了与人类和其他生物相同的以离子为基础的电能。
在我们的身体里，流动的离子(钠、钾和其他电解质)是电信号，它能控制大脑，控制心脏的节奏，肌肉的运动和其他。
在传统电池中，电能(或电流)以移动电子的形式流动。电池内的电子电流通过将电池的一端(电极)的正离子转移到另一端而产生。新的 UMD 电池正好相反，它在器件中移动电子来传输能量，即离子流。这是首次发明离子电流电池。
开发电池的团队负责人 Liangbing Hu 说，他的目的是让离子系统与人类系统进行交互，Hu 是马里兰大学的材料科学教授，马里兰大学能源研究中心成员，同时也是能源部赞助的电能存储能源前沿研究中心纳米结构的首席研究员，该研究中心资助了这项研究。
他想出了一个电池的反向设计。在一个典型的电池中，电子通过电线流向电子设备，而离子通过电池分离器。在这个逆向设计中，电子通过金属线流动，然后离子必须穿过离子电缆。在这种情况下，离子电缆中的离子可以与生命系统相结合。
小组成员 Jianhua Zhang 博士是美国糖尿病与消化和肾脏疾病研究所的一位科学家，是美国国立卫生研究院成员，他认为这个电池潜在的应用可能包括下一代装置的发展，以微神经元活动和相互作用，防止或治疗老年痴呆症和抑郁症等医学问题，这种电池可以用来为残疾人开发医疗设备，或者为更高效的药物和基因递送工具提供研究和临床的工具，以更精确地治疗癌症和其他疾病。他们进行了生物实验，以测试新电池成功地向活细胞传送电流。希望这项发明能够帮助建立机器和人类直接交流的可能性。
由于活细胞在离子电流和现有电池上的工作提供了一种电子电流，科学家们之前曾试图弄清楚如何在这两者之间建立生物相容性，通过将电子电流修补成离子电流。这种方法的问题在于，电子电流需要达到一定的电压才能跨越电子系统和离子系统之间的差距。然而，在生活系统中，离子电流的电压很低。因此，带着电子到离子贴片，感应电流会太高，无法运行，比如说大脑或肌肉。这个问题可以用离子电流电池来消除，它可以在任何电压下运行。
新的 UMD 电池还有另一个不寻常的特点：它使用草来储存能量。为了制造电池，团队将肯塔基蓝草的叶片浸泡在锂盐溶液中。那些曾经将营养物质向上和向下移动的通道，是用来保存溶液的理想管道。
研究小组制作的演示电池看起来像两个玻璃管，里面有一片草叶，每个玻璃管顶部都有一根细金属丝连接。这条导线是电子从电池一端移动到另一端的地方，因为储存的能量慢慢地放电。在每一个玻璃管的另一端是一个金属尖端，通过它的离子电流流动。
研究人员证明，离子电流通过触摸电池的两端，以达到锂浸透的棉线的两端，中间有一点蓝染的铜离子。在离子电流中，铜沿着弦向带负电荷的极移动。
论文第一作者、马里兰大学材料科学与工程系的研究生 Chengwei Wang 说，草中的微通道可以容纳盐溶液，使它们成为稳定的离子导体，该团队计划将他们能生产的离子电流电子电池的种类多样化，他们正在开发利用纤维素、水凝胶和聚合物的多种离子导体。
这不是 UMD 科学家第一次在新用途中测试天然材料。Hu 和他的团队此前一直在研究电子电池的纤维素和植物材料，制造电池和一个超级电容，从木头和一个电池从一片叶子。他们还创造了透明的木材，作为玻璃窗户的潜在节能替代品。
加州大学圣迭戈分校纳米工程副教授 Ping Liu 说这项研究非常有创造性，它的主要价值在于将离子电流输送到生物系统，而不会对它们造成其他危险。最终，这项工作的影响真正在于是否能找到更小、更生物相容的连接材料，从而更直接、更有效地与细胞和生物体进行接触。
二
从大规模能源储存到电动汽车的新兴产业，将需要更持久的电池。但要造出这些电池，我们需要更多地了解是什么限制了电池寿命。
新的工具让研究人员以纳米这样细微的尺度，检查电池的运行情况，帮助他们识别会触发电故障的内部问题。
电子显微镜和同步加速器这样先进的工具，可以作为强大的光源让我们在使用的时候看看电池。高速照相机和探测器，芯片技术以及处理大量数据的能力同样有用。
这个新兴领域的障碍是什么呢？这些工具所使用的高能 X 射线或电子束会干扰电池的运行；以及通常来说，样本量很有限，因为必须适应它们相对较小的仪器空间。
尽管存在技术上的挑战，但这些工具可以为我们提供对电池技术当前限制的重要见解。
要了解我们如何观察运行中的电池，首先要了解它们的组成部分。例如每个锂离子电池都有正负电极，以及分离它们的电解质。这种电解质通常是一种液体化学混合物，允许电荷(以锂离子的形式)流动。锂离子通过电极之间的电解质扩散，这取决于电池是带电还是放电。
当成像电池运行时，可以看到这些大小只有纳米尺度的过程，并指出使用的材料的问题。在实验室里，经常用硬币电池测试。
在这种情况下可以使用一系列的工具来研究电池，尤其青睐 X 射线和电子显微镜技术。
为了让研究人员能够看到电池内部的情况，成像光束，无论是光、X 射线还是电子束，都需要穿过电池。试想一下光撞在墙上而不是窗户上会出现的什么情况，如果电池太厚，X射线或电子束就无法穿透。
传统的实验室 X 射线的能量和强度都很低，因此不能深入到材料中。然而同步加速器的 X 射线束具有相当高的能量，并允许更深入的穿透。不过需要注意的是，同步加速器通常是非常大的设施，很难操作和使用。
两个扫描电子显微镜图像说明了传统电解质是如何导致树突生长(左)，而一种新的电解质却导致了没有短路电池
更常用的仪器是透射电子显微镜(TEM)。TEM 是一种用电子束代替光束的显微镜，而不是传统的显微镜，电子束可以放大一百万倍。然而，如果电子束经过空气，它会散射得相当大，你就看不到任何东西了。因此TEM的操作需要非常真空的环境里进行，这样可以让电子束容易通过。
这给研究人员带来了另一个挑战：真空环境下，在许多标准电池中存在的使液体电解质变得危险了，因为液体可能会蒸发。
最近，已经设计了新的 TEM 保持器，允许电池材料和液体电解质被封装在两个电子透明窗口之间，以及电流通过电池材料。这使得可以在操作电池的同时以非常高的放大率产生图像。
这种新兴的电池研究需要解决电池的故障，特别重要的是允许锂晶体生长的条件。锂枝晶是一种微观的树状结构，可以从锂电极上生长，可能会使电池短路。这个过程甚至会导致电池起火，该问题阻碍了大功率锂电极的使用。 初步研究表明，在 TEM 中可以对锂枝晶的动态生长进行成像。
在锂离子电池中，由于锂离子被吸收和释放，电极组件溶解在电解液和长期腐蚀问题中，锂离子电池也会发生降解。这些问题目前尚不清楚，但纳米尺度成像将有助于我们改善电池的设计。
我们的愿景是在不同的操作条件下更容易地观察新的电池系统，让我们可以理解阻碍长寿命电池系统的挑战。
