綜述背景

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)和尖端芯片的廣泛使用，包括可穿戴和植入式電子設(shè)備在內(nèi)的人體電子設(shè)備正在逐步發(fā)展。具體來說，可穿戴電子設(shè)備，包括人造皮膚、智能服裝和柔性手表，可以實(shí)現(xiàn)體溫、心率和環(huán)境監(jiān)測(cè)，通過可穿戴能源中心為智能手機(jī)無線充電，以及其他功能。植入式電子設(shè)備可以進(jìn)行一系列的醫(yī)療測(cè)量，如藥物輸送、組織和神經(jīng)愈合，以及對(duì)目標(biāo)組織的監(jiān)測(cè)，如心臟、動(dòng)脈、肌肉組織、皮下組織和神經(jīng)系統(tǒng)。作為電子設(shè)備的核心部件，能源樞紐在維持電子設(shè)備的正常運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。電子產(chǎn)品在人體中從外到內(nèi)的應(yīng)用越來越深入，功能也越來越復(fù)雜，對(duì)能源樞紐提出了更苛刻的要求：絕對(duì)安全和高能量密度。作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電池在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不同于含有有機(jī)電解液的鋰離子電池的易泄漏、有毒性和易燃性，水系電池依靠水系電解液的穩(wěn)定性和高生物相容性，正在成為這些電子設(shè)備的首選能源樞紐。特別是近年來，以水系鋅電池為首的水系電池的快速發(fā)展，使其在可穿戴和植入式電子設(shè)備中的應(yīng)用達(dá)到頂峰。然而目前還缺乏對(duì)水系電池在人體電子設(shè)備中的最新發(fā)展和應(yīng)用的全面總結(jié)。為此，在近期文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，該綜述從電極、電解液、封裝材料和電池配置等方面回顧和總結(jié)了與水系柔性和生物可降解植入式電池相關(guān)的研究?；谌梭w內(nèi)外電子設(shè)備不同的能量供應(yīng)和工作環(huán)境要求，該綜述重點(diǎn)總結(jié)了柔性電池優(yōu)異的電化學(xué)和機(jī)械性能的耦合策略，以及植入式可降解電池的長(zhǎng)期放電性能、生物相容性和可降解性的合理設(shè)計(jì)。旨在為開發(fā)高性能的人體電子能源樞紐提供新的研究思路。

圖1. 可穿戴電池和可植入電池供電的電子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景和功能概述.

本文以題為“Aqueous Batteries forHuman Body Electronic Devices”在國(guó)際知名期刊ACS Energy Letter上發(fā)表。本文第一作者為中南大學(xué)湘雅醫(yī)院整形外科李晶晶博士，通訊作者為中南大學(xué)材料學(xué)院周江教授和中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院整形外科陳志釗博士。

圖文導(dǎo)讀

圖2. 多功能柔性電極.

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圖3. 水凝膠電解液.

圖4. 纖維電池、堆疊電池和微型電池構(gòu)造.

圖5. 可穿戴電池的實(shí)際應(yīng)用.

圖6.人體每日金屬元素?cái)z入上限量和電極儲(chǔ)能機(jī)理.

圖7.正極材料電化學(xué)性能、生物相容性和可降解性.

圖8.凝膠電解液生物相容性和可降解性.

圖9.封裝材料.

總結(jié)與展望

作為一種在人體內(nèi)外使用的儲(chǔ)能裝置，水系電池在安全方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。迄今為止，在協(xié)調(diào)水系可穿戴電池和可降解植入式電池的電化學(xué)性能和機(jī)械性能、可降解性和生物相容性方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。然而，事實(shí)上，這些電池離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)，仍處于起步階段。對(duì)于可穿戴電池和可降解植入式電池的未來發(fā)展，該綜述提出以下觀點(diǎn)和展望：

(1)電極材料是水系電池的一個(gè)重要研究方向。目前，很少有水系電池的電極材料能夠兼具高比容量和高輸出電壓。其中，基于溶解沉積機(jī)制的MnO2正極被證明具有超過1100 Wh kg-1的能量密度，可以引入到可穿戴電池中。此外，S正極材料具有超高的理論容量，在解耦條件下甚至可以達(dá)到2000 Wh kg-1以上的能量密度，也是一種值得研究的電極材料。對(duì)于可降解的植入式金屬空氣電池，開發(fā)具有高ORR和HER催化活性的正極材料是一個(gè)可行的研究方向。在這些具有生物相容性的金屬基材料的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步進(jìn)行元素?fù)诫s，貴金屬的單原子化，或與碳基材料結(jié)合，以降低成本，提高催化活性，同時(shí)保證降解性和生物相容性。此外，考慮到一些正極材料的降解周期非常長(zhǎng)，可以設(shè)計(jì)具有雙邊溶解機(jī)制的可降解電池，即正極和負(fù)極的活性材料在放電過程中一起轉(zhuǎn)化為離子，實(shí)現(xiàn)同步降解。此外，負(fù)極是決定生物可降解電池放電時(shí)間的關(guān)鍵因素。鎂和鋅金屬負(fù)極容易被電解液腐蝕，導(dǎo)致放電時(shí)間大大縮短。因此，負(fù)極的腐蝕保護(hù)勢(shì)在必行，可以從合金化和涂層保護(hù)入手，緩解負(fù)極的自放電問題。

(2)應(yīng)該為可穿戴電池開發(fā)多功能的水凝膠電解液?？纱┐麟姵氐墓ぷ鳝h(huán)境復(fù)雜多變，需要水凝膠電解液能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高機(jī)械性能、耐高低溫、高離子傳導(dǎo)性和電極保護(hù)，以保證電池的電化學(xué)性能穩(wěn)定。因此，必須關(guān)注水凝膠各項(xiàng)性能的改善策略和機(jī)制，并嘗試結(jié)合多種改善策略，以達(dá)到協(xié)調(diào)的效果。對(duì)于可生物降解的植入式電池，準(zhǔn)固體水凝膠電解液也值得進(jìn)一步研究。首先，許多水凝膠來自于生物，本身具有良好的生物相容性和可降解性。其次，一些水凝膠對(duì)負(fù)極保護(hù)有積極作用，因?yàn)樗鼈兊哪z骨架可以鎖定大部分水分子，防止水與負(fù)極接觸。同時(shí)，水凝膠電解液可以使電池配置更加緊湊，減少對(duì)封裝材料和技術(shù)的要求，可以適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。此外，高離子傳導(dǎo)性也是水凝膠電解液提高電池性能的出路。

(3)封裝材料的選擇對(duì)可降解植入式電池極為關(guān)鍵。封裝材料是可降解電池與生物組織接觸的主體，有可能引起宿主的排斥。當(dāng)封裝材料的彈性模量高于目標(biāo)組織的耐受上限時(shí)，會(huì)引起組織撕裂和炎癥等一系列問題。因此，封裝材料的生物相容性是首要考慮因素。此外，封裝材料的降解時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于電池的放電時(shí)間，這可以通過增加封裝材料的厚度來調(diào)節(jié)。還應(yīng)控制封裝材料的均勻降解性，以防止快速的局部降解，導(dǎo)致內(nèi)部元件的暴露。

(4)對(duì)于可穿戴電池，需要建立多變量環(huán)境與可穿戴電池的電化學(xué)性能之間的關(guān)系。目前，缺乏對(duì)可穿戴電池在外力作用下的大量電化學(xué)測(cè)試。特別是各種機(jī)械作用，包括動(dòng)態(tài)拉伸、動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)彎曲、動(dòng)態(tài)折疊和動(dòng)態(tài)沖擊，對(duì)不同溫度和濕度下的電化學(xué)性能的長(zhǎng)期影響。對(duì)于植入式電池，迫切需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估可降解植入式電池的生物相容性、可降解性和電化學(xué)性能。目前對(duì)生物可降解植入式電池的電化學(xué)性能的測(cè)試是在生物體外進(jìn)行的，缺乏在生物體內(nèi)實(shí)際操作的電化學(xué)數(shù)據(jù)。也缺乏對(duì)可降解植入電池的生物相容性和可降解性的體內(nèi)驗(yàn)證，包括具體的降解周期、周圍細(xì)胞的存活、目標(biāo)組織的排斥、降解過程中對(duì)體液中微量元素的追蹤以及對(duì)宿主生命體征的監(jiān)測(cè)。

(5)對(duì)于各種植入式醫(yī)療設(shè)備，特別是那些有長(zhǎng)期能源供應(yīng)需求和高功率消耗的設(shè)備，具有生物相容性、可生物降解和可充電的高性能能源樞紐是非?？扇〉?。介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的生物衍生材料可以在體內(nèi)進(jìn)行充電，如黑色素色素、多巴胺和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，它們可以作為水系電池的正極材料。同時(shí)，調(diào)節(jié)封裝材料的結(jié)晶度和厚度，確保電池的降解時(shí)間大于服務(wù)時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，可介入無線充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)植入電池的長(zhǎng)期充電/放電以及最終的降解，避免二次手術(shù)。