大家好！今天来了解一项受电鳗启发的防潮完全可打印电源的研究——《A moisture-enabled fully printable power source inspired by electric eels》发表于《PNAS》。随着可穿戴电子设备的发展，对安全、一次性且具成本效益的电源需求大增。传统电池存在不足，而本研究受电鳗利用离子梯度产电启发，开发出基于石墨烯墨水的全打印电源。它能在潮湿环境下转换离子势能为电能，具有高电压、可定制等优点，为未来电子设备提供了新的电源解决方案。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

随着可穿戴电子设备和物联网应用的发展，对安全、一次性且成本效益高的电源需求日益增加。传统的电池存在一些问题，如包含有害或易燃成分，无法满足绿色电源的要求。而自然界中离子梯度的化学势能为开发新型电源提供了灵感，电鳗就是利用离子梯度产生电能的典型例子。同时，打印技术在制造能量存储设备方面具有很大潜力。

二、研究目的

开发一种基于石墨烯墨水的全打印、全固态电源，能够在潮湿环境下将离子梯度的化学势能转化为电能，实现高电压、高功率密度输出，以满足可穿戴电子设备和物联网应用的需求。

三、电池结构与性能

1、基本结构与原理

电池由不同离子浓度的GO基墨水（GO和rGO）和一对银电极组成。在潮湿环境下，离子梯度的化学势能通过离子迁移和氧化还原反应转化为电能。单个电池开路电压为1.2V，在环境条件（25℃，相对湿度[RH] 10%）下可保持90 h以上，是生物电信号的8倍。

2、不同连接方式下的性能

串联提升电压：通过串联175个电池，在纸条上实现了192V的超高电压，这是利用离子梯度的可打印电源在小面积上的最高电压记录。

采用分形曲线提升功率密度：采用数学分形曲线中的Peano曲线作为打印图案（参考空间填充曲线在电子学和电容器中的应用案例），在25℃，RH 90%条件下，平面电池短路电流可达170 μA，最大功率密度达到2.5 mW/cm³，与锂薄膜电池相当。

四、工作机制

1、材料演化研究

拉曼光谱显示，rGO的ID/IG比值为1.210，高于原始GO的1.063，因KOH与GO结构中的官能团反应增加了GO的无序度。

ICP测量表明，放电后GO中K+浓度从1,596ppm增加到5,419ppm，证明离子从rGO向GO迁移。

XRD显示，添加KOH后GO层间距从7.7Å增加到8.5Å，放电后到8.9Å，rGO层间距变化不大。

2、电极表面反应机制

金电极和银电极电池对比：金电极作为电流收集器时，开路电压在所有测试湿度条件下较高，但放电曲线显示其容量明显低于银电极电池。

CV测试表明，金电极电池在电压窗口内无明显氧化还原反应，银电极电池有明显氧化还原峰和高反应电流，表明银参与了氧化还原反应。

放电过程中可能发生如GO侧酸性环境下氧气还原为水，rGO侧碱性条件下银氧化为氧化银的反应，这些反应部分可逆，与循环测试结果一致。

五、喷墨打印设计参数

1、墨水优化与打印性能

通过添加Nafion，GO墨水粘度为8.05cP，接触角为32.6°，适合喷墨打印，打印层厚度约为300nm。

用SDBS调整rGO墨水，粘度为2.45cP，接触角为25.1°，打印性能好，打印层厚度约为50nm。

2、打印图案参数对性能的影响

电池厚度（H）由打印重复次数控制，GO和rGO墨水重叠宽度（L1）确保接触，打印墨水到电极距离（L2）防止短路。这些参数影响开路电压和短路电流。

选择厚度为30层、重叠宽度、距离电极作为优化参数，在此参数下，一个（0.2 cm×0.25 cm×13 μm）的电池在25℃，RH70%条件下，开路电压为0.455V，短路电流为0.355 μA，最大功率密度为0.6 mW/cm³，能量密度为0.41mWh/cm³。

六、研究结论

成功开发出受电鳗启发的全打印、全固态绿色电源，通过离子迁移和氧化还原反应将离子梯度化学势能转化为电能。

该电源具有高电压、高功率密度和可定制的优点，可通过调整电池图案和连接方式改变输出性能。

采用折纸设计可使电池结构从二维转换为三维，如Miura-ori折叠策略制造的可折叠电池，扩展了印刷电子的应用潜力。

虽性能与锂薄膜电池相当，但可通过进一步精确调整GO结构中的官能团和层间距，提高离子浓度和迁移速度来提升性能。本研究为绿色电能提供新途径，有望应用于物联网或其他未来可穿戴和一次性电子设备电源的规模化生产。

七、一起来做做题吧

1、未来电子设备对电源的需求不包括以下哪项特点？

A. 可穿戴

B. 一次性

C. 高成本

D. 安全

2、本研究开发的电源灵感来源于什么？

A. 锂离子电池

B. 电鳗

C. 传统碱性电池

D. 太阳能电池

3、单个电池的开路电压在环境条件（，相对湿度 [RH] 10%）下可保持多久以上？

A. 60h

B. 70h

C. 80h

D. 90h

4、通过什么测试证明了离子从 rGO 向 GO 的迁移？

A. 拉曼光谱

B. 电感耦合等离子体发射光谱（ICP）

C. X 射线衍射（XRD）

D. 循环伏安（CV）

5、优化后的 rGO 墨水的粘度是多少？

A. 8.05 cP

B. 2.45 cP

C. 5.00 cP

D. 3.20 cP

6、本研究开发的电源通过什么反应将离子梯度的化学势能转化为电能？

A. 离子迁移和氧化还原反应

B. 仅离子迁移

C. 仅氧化还原反应

D. 分解反应

参考文献：

Yang L, et al. A moisture-enabled fully printable power source inspired by electric eels. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Apr 20;118(16):e2023164118.