首個生物兼容離子電流電池，可防治抑郁癥和老年癡呆？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-08 10:32
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今日文章分為兩個部分，主題是未來的電池。第一部分是工程師發(fā)明出第一個生物兼容的離子電流電池，讓機器直接與人類交流有了可能。這種電池未來也許可以用來為殘疾人開發(fā)醫(yī)療設(shè)備，或者為更高效的藥物和基因遞送工具提供研究和臨床的工具；第二部分是關(guān)于電池未來系列文章的一部分。怎樣才能制造出我們需要的電池來為家庭、運輸和工業(yè)提供動力，以及什么阻礙了電池的發(fā)展？
編譯:LY
一
馬里蘭大學的工程師們發(fā)明了一種全新的電池，它產(chǎn)生了與人類和其他生物相同的以離子為基礎(chǔ)的電能。
在我們的身體里，流動的離子(鈉、鉀和其他電解質(zhì))是電信號，它能控制大腦，控制心臟的節(jié)奏，肌肉的運動和其他。
在傳統(tǒng)電池中，電能(或電流)以移動電子的形式流動。電池內(nèi)的電子電流通過將電池的一端(電極)的正離子轉(zhuǎn)移到另一端而產(chǎn)生。新的 UMD 電池正好相反，它在器件中移動電子來傳輸能量，即離子流。這是首次發(fā)明離子電流電池。
開發(fā)電池的團隊負責人 Liangbing Hu 說，他的目的是讓離子系統(tǒng)與人類系統(tǒng)進行交互，Hu 是馬里蘭大學的材料科學教授，馬里蘭大學能源研究中心成員，同時也是能源部贊助的電能存儲能源前沿研究中心納米結(jié)構(gòu)的首席研究員，該研究中心資助了這項研究。
他想出了一個電池的反向設(shè)計。在一個典型的電池中，電子通過電線流向電子設(shè)備，而離子通過電池分離器。在這個逆向設(shè)計中，電子通過金屬線流動，然后離子必須穿過離子電纜。在這種情況下，離子電纜中的離子可以與生命系統(tǒng)相結(jié)合。
小組成員 Jianhua Zhang 博士是美國糖尿病與消化和腎臟疾病研究所的一位科學家，是美國國立衛(wèi)生研究院成員，他認為這個電池潛在的應(yīng)用可能包括下一代裝置的發(fā)展，以微神經(jīng)元活動和相互作用，防止或治療老年癡呆癥和抑郁癥等醫(yī)學問題，這種電池可以用來為殘疾人開發(fā)醫(yī)療設(shè)備，或者為更高效的藥物和基因遞送工具提供研究和臨床的工具，以更精確地治療癌癥和其他疾病。他們進行了生物實驗，以測試新電池成功地向活細胞傳送電流。希望這項發(fā)明能夠幫助建立機器和人類直接交流的可能性。
由于活細胞在離子電流和現(xiàn)有電池上的工作提供了一種電子電流，科學家們之前曾試圖弄清楚如何在這兩者之間建立生物相容性，通過將電子電流修補成離子電流。這種方法的問題在于，電子電流需要達到一定的電壓才能跨越電子系統(tǒng)和離子系統(tǒng)之間的差距。然而，在生活系統(tǒng)中，離子電流的電壓很低。因此，帶著電子到離子貼片，感應(yīng)電流會太高，無法運行，比如說大腦或肌肉。這個問題可以用離子電流電池來消除，它可以在任何電壓下運行。
新的 UMD 電池還有另一個不尋常的特點：它使用草來儲存能量。為了制造電池，團隊將肯塔基藍草的葉片浸泡在鋰鹽溶液中。那些曾經(jīng)將營養(yǎng)物質(zhì)向上和向下移動的通道，是用來保存溶液的理想管道。
研究小組制作的演示電池看起來像兩個玻璃管，里面有一片草葉，每個玻璃管頂部都有一根細金屬絲連接。這條導線是電子從電池一端移動到另一端的地方，因為儲存的能量慢慢地放電。在每一個玻璃管的另一端是一個金屬尖端，通過它的離子電流流動。
研究人員證明，離子電流通過觸摸電池的兩端，以達到鋰浸透的棉線的兩端，中間有一點藍染的銅離子。在離子電流中，銅沿著弦向帶負電荷的極移動。
論文第一作者、馬里蘭大學材料科學與工程系的研究生 Chengwei Wang 說，草中的微通道可以容納鹽溶液，使它們成為穩(wěn)定的離子導體，該團隊計劃將他們能生產(chǎn)的離子電流電子電池的種類多樣化，他們正在開發(fā)利用纖維素、水凝膠和聚合物的多種離子導體。
這不是 UMD 科學家第一次在新用途中測試天然材料。Hu 和他的團隊此前一直在研究電子電池的纖維素和植物材料，制造電池和一個超級電容，從木頭和一個電池從一片葉子。他們還創(chuàng)造了透明的木材，作為玻璃窗戶的潛在節(jié)能替代品。
加州大學圣迭戈分校納米工程副教授 Ping Liu 說這項研究非常有創(chuàng)造性，它的主要價值在于將離子電流輸送到生物系統(tǒng)，而不會對它們造成其他危險。最終，這項工作的影響真正在于是否能找到更小、更生物相容的連接材料，從而更直接、更有效地與細胞和生物體進行接觸。
二
從大規(guī)模能源儲存到電動汽車的新興產(chǎn)業(yè)，將需要更持久的電池。但要造出這些電池，我們需要更多地了解是什么限制了電池壽命。
新的工具讓研究人員以納米這樣細微的尺度，檢查電池的運行情況，幫助他們識別會觸發(fā)電故障的內(nèi)部問題。
電子顯微鏡和同步加速器這樣先進的工具，可以作為強大的光源讓我們在使用的時候看看電池。高速照相機和探測器，芯片技術(shù)以及處理大量數(shù)據(jù)的能力同樣有用。
這個新興領(lǐng)域的障礙是什么呢？這些工具所使用的高能 X 射線或電子束會干擾電池的運行；以及通常來說，樣本量很有限，因為必須適應(yīng)它們相對較小的儀器空間。
盡管存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但這些工具可以為我們提供對電池技術(shù)當前限制的重要見解。
要了解我們?nèi)绾斡^察運行中的電池，首先要了解它們的組成部分。例如每個鋰離子電池都有正負電極，以及分離它們的電解質(zhì)。這種電解質(zhì)通常是一種液體化學混合物，允許電荷(以鋰離子的形式)流動。鋰離子通過電極之間的電解質(zhì)擴散，這取決于電池是帶電還是放電。
當成像電池運行時，可以看到這些大小只有納米尺度的過程，并指出使用的材料的問題。在實驗室里，經(jīng)常用硬幣電池測試。
在這種情況下可以使用一系列的工具來研究電池，尤其青睞 X 射線和電子顯微鏡技術(shù)。
為了讓研究人員能夠看到電池內(nèi)部的情況，成像光束，無論是光、X 射線還是電子束，都需要穿過電池。試想一下光撞在墻上而不是窗戶上會出現(xiàn)的什么情況，如果電池太厚，X射線或電子束就無法穿透。
傳統(tǒng)的實驗室 X 射線的能量和強度都很低，因此不能深入到材料中。然而同步加速器的 X 射線束具有相當高的能量，并允許更深入的穿透。不過需要注意的是，同步加速器通常是非常大的設(shè)施，很難操作和使用。
兩個掃描電子顯微鏡圖像說明了傳統(tǒng)電解質(zhì)是如何導致樹突生長(左)，而一種新的電解質(zhì)卻導致了沒有短路電池
更常用的儀器是透射電子顯微鏡(TEM)。TEM 是一種用電子束代替光束的顯微鏡，而不是傳統(tǒng)的顯微鏡，電子束可以放大一百萬倍。然而，如果電子束經(jīng)過空氣，它會散射得相當大，你就看不到任何東西了。因此TEM的操作需要非常真空的環(huán)境里進行，這樣可以讓電子束容易通過。
這給研究人員帶來了另一個挑戰(zhàn)：真空環(huán)境下，在許多標準電池中存在的使液體電解質(zhì)變得危險了，因為液體可能會蒸發(fā)。
最近，已經(jīng)設(shè)計了新的 TEM 保持器，允許電池材料和液體電解質(zhì)被封裝在兩個電子透明窗口之間，以及電流通過電池材料。這使得可以在操作電池的同時以非常高的放大率產(chǎn)生圖像。
這種新興的電池研究需要解決電池的故障，特別重要的是允許鋰晶體生長的條件。鋰枝晶是一種微觀的樹狀結(jié)構(gòu)，可以從鋰電極上生長，可能會使電池短路。這個過程甚至會導致電池起火，該問題阻礙了大功率鋰電極的使用。 初步研究表明，在 TEM 中可以對鋰枝晶的動態(tài)生長進行成像。
在鋰離子電池中，由于鋰離子被吸收和釋放，電極組件溶解在電解液和長期腐蝕問題中，鋰離子電池也會發(fā)生降解。這些問題目前尚不清楚，但納米尺度成像將有助于我們改善電池的設(shè)計。
我們的愿景是在不同的操作條件下更容易地觀察新的電池系統(tǒng)，讓我們可以理解阻礙長壽命電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
