來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造分會 發(fā)布日期：2024-06-22
在自然界中，電鰻等發(fā)電魚類能夠?qū)⑸锬芨咝мD(zhuǎn)化為電能并瞬間釋放出10～800 V 的高壓，模擬電鰻發(fā)電機(jī)理為探索新型仿生能源的設(shè)計(jì)制造方法開辟了新方向。然而，目前開發(fā)的基于電鰻發(fā)電機(jī)理的仿生能源在制造過程中通常需要人工手動堆疊多個(gè)單元，導(dǎo)致制造效率低、接觸不穩(wěn)定，進(jìn)而限制了仿生能源的柔性和應(yīng)用范圍。
針對這一挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李滌塵教授、賀健康教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的連續(xù)多材料打印策略（圖1），實(shí)現(xiàn)了多材料仿生離子凝膠電池一體化制造。不僅提升了仿生離子凝膠電池的制造效率，而且通過連續(xù)打印技術(shù)制造的無縫離子凝膠電池具備優(yōu)良的柔性和拉伸性，為這種新型柔性電源的未來應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
圖1 仿生離子凝膠電池連續(xù)多材料打印技術(shù)示意圖
研究首先優(yōu)化了四種離子凝膠電池油墨，使其具有相似的流變特性，從而能夠連續(xù)打印出具有無縫結(jié)合界面、均勻尺寸和形態(tài)的離子凝膠電池纖維。在經(jīng)歷大變形和循環(huán)拉伸條件下，連續(xù)打印的無縫離子凝膠電池纖維展現(xiàn)出高達(dá) 137% 的高拉伸性和穩(wěn)定的電壓輸出能力，其在 100% 拉伸應(yīng)變下進(jìn)行1000 次拉伸循環(huán)下仍能保持穩(wěn)定電壓輸出（圖2）。連續(xù)打印的離子凝膠電池還可以在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作（-20 °C - 90 °C）。通過調(diào)節(jié)切換頻率和電池單元中各凝膠成分的比例，所提出的打印策略能夠靈活地調(diào)節(jié)離子凝膠電池的電性能，將離子凝膠電池的電壓半衰期延長，最高可達(dá)100小時(shí)以上，極大拓展了連續(xù)離子凝膠電池的應(yīng)用場景。
圖2 連續(xù)打印離子凝膠電池在復(fù)雜變形條件下的可拉伸性和穩(wěn)健性
為了實(shí)現(xiàn)高電壓離子凝膠電池的高效制造，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了離子凝膠電池自動化打印-收集平臺。這一創(chuàng)新系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了離子凝膠電池的連續(xù)一體化制造，而且通過自動化收集過程，大大提高了生產(chǎn)效率（見圖3）。在整個(gè)打印過程中，電壓損失被控制在極低水平，確保了打印離子凝膠電池性能的穩(wěn)定性。
研究進(jìn)一步利用多通道陣列打印噴頭，開發(fā)了自動化打印-收集陣列化離子凝膠電池的技術(shù)。這一突破性進(jìn)展使他們能夠在短短30分鐘內(nèi)，快速制造出電壓高達(dá)208V的高電壓仿生離子凝膠電池。所開發(fā)的多材料打印技術(shù)為基于電鰻發(fā)電機(jī)理的新型仿生能源系統(tǒng)提供了一種高效的制造策略。
圖3 通過自動化連續(xù)多材料打印-收集技術(shù)制造多單元串聯(lián)的高壓離子凝膠電池
此外，連續(xù)打印的離子凝膠電池陣列具有極高的靈活性，能夠根據(jù)不同應(yīng)用的需要進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)配置調(diào)節(jié)電壓和電流輸出（見圖4）。這種設(shè)計(jì)為電子設(shè)備的激活提供了多樣化的電源解決方案，例如驅(qū)動電致變色器件。通過將離子凝膠電池陣列編織成可穿戴腕帶，他們展示了其為電子手表等小型電子設(shè)備提供穩(wěn)定而持續(xù)的電力的能力。這種創(chuàng)新的應(yīng)用方式不僅提高了設(shè)備的便攜性和實(shí)用性，同時(shí)也為其在柔性電子、可穿戴設(shè)備等方面的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
圖4 并聯(lián)的陣列離子凝膠電池應(yīng)用演示
該研究工作以“Consecutive multimaterial printing of biomimetic ionic hydrogel power sources with high flexibility and stretchability”為題發(fā)表于 Nature Communications 上（DOI: 10.1038/s41467-024-49469-6）。西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院博士研究生賀佩是論文第一作者，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賀健康教授為論文通訊作者。該研究受到國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金支持。