一种生命电池及其制备方法和用于制备生命电池的装置与流程

本发明涉及一种生命电池及其制备方法，特别涉及一种基于生物放电原理的生命电池及其制备方法，还涉及一种用于制备生命电池的装置，属于电池技术领域。

背景技术：

众所周知，自然界中存在一些会放电的生物，例如电鳗、电鳐、电鲶等，其中电鳗放电时的峰值电压可以高达800v，是鱼类中放电能力最强的淡水鱼，因此有水中“高压线”之称。如此奇特的生物放电现象引起了人们极大的兴趣，18世纪末，galvani发现蛙肌与不同金属所构成的环路相接触时发生收缩的现象，首次提出“动物电”的观点。此后，众多实验均证明了“动物电”的存在，研究者还提出了“静息电位”、“膜学说”等理论尝试解释生物电现象，但限于实验条件限制，这些理论并未得到证实。直到1939年，a.l.hodgkin和a.f.huxley将微电极插入枪乌贼大神经，直接测出了神经纤维膜内外的电位差由此证明了静息电位的存在。这一技术上的革新，推动了电生理学理论的发展。

目前，研究者们对于生物放电的机理已经有了较为透彻的认识。以电鳗为例，其尾部两侧的肌肉是由6000到10000枚规则排列的薄片细胞组成，细胞之间有结缔组织相隔，并有许多神经连接中枢神经系统。每一个薄片细胞的细胞膜有大量的na⁺/k⁺通道，这些通道受神经控制可决定细胞内外的离子迁移。无刺激状态下，前后两面的细胞膜中k⁺通道均打开，k⁺由内向外迁移，形成约-65mv的“静息电位”，但前后抵消，细胞整体电压为零；应激状态下，前膜k⁺通道关闭，而na⁺通道打开，na⁺由外向内迁移并由此形成约+85mv的“动作电位”，后膜仍保持k⁺通道打开不变，因此电池整体产生约150mv的开路电压，成千上万的薄片串联起来从而产生300～800v的电压。

现有技术中，虽然人造电子器官、植入式或可穿戴式电子器件已经面世，但大多仪器仍需要传统的化学电源(如锂-碘电池等)作为支持电源，其生物兼容性和使用寿命问题仍制约着这些器件的发展和应用。

技术实现要素：

针对现有技术中传统的化学电池在人造电子器官、植入式或可穿戴式电子器件等方面的应用存在生物兼容性差和使用寿命短等问题，本发明的第一个目的是在于提供一种具有生物兼容性，柔性好可以提高使用寿命的生命电池。该电池是基于仿生学角度出发，模拟电鳗发电细胞的构造与发电原理，获得的具有生物兼容性的生命电池。

本发明的第二个目的是在于提供一种适用于制备生命电池的装置，该装置结构设计简单，操作方便，可以灵活用于单体生命电池或多个单体生命电池串联结构制备，具有较好的应用前景。

本发明的第三个目的是在于提供一种操作简单，低成本，制备生命电池的方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于生物放电原理的生命电池，包括单体生命电池或多个单体生命电池串联结构，所述单体生命电池包括依次接触的电解质凝胶层i、阳离子选择透过膜、电解质凝胶层ii、阴离子选择透过膜和电解质凝胶层i五个凝胶组件；所述多个单体生命电池串联结构包括依次接触的多个凝胶组件，所述多个凝胶组件包含若干个电解质凝胶层i，在任意两个电解质凝胶层i之间为阳离子选择透过膜、电解质凝胶层ii和阴离子选择透过膜三个凝胶组件(三个凝胶组件依次接触)；其中，电解质凝胶层i中的电解质浓度高于电解质凝胶层ii中电解质浓度。

本发明的生命电池是一种仿生电池，主要是模拟电鳗发电鳗发电组织的解剖学结构及其放电机理。提出的生命电池主要由高浓度电解质凝胶、阳离子选择透过膜、低浓度电解质凝胶、阴离子选择透过膜等凝胶组件构成。阳离子选择透过凝胶膜两侧的阳离子在浓度梯度驱使下由外侧向内侧迁移，电荷平衡被打破，外侧的阴离子过剩荷负电，内侧阳离子富集而荷正电；同时，阴离子选择透过凝胶膜两侧的阴离子在浓度梯度驱使下从外侧向内侧迁移，使其内侧荷负电而外侧荷正电，电池整体开路电压达到110～185mv，而通过多个单体生命电池有序组装可实现电压的串联叠加效应。

优选的方案，电解质凝胶层i和电解质凝胶层ii中电解质包括水溶性无机盐。

优选的方案，电解质凝胶层i和电解质凝胶层ii中凝胶基质包括交联聚丙烯酰胺。

优选的方案，水溶性无机盐主要为氯化钠、氯化钾等可溶性强电解质盐。

较优选的方案，电解质凝胶层i中电解质含量为1.0～6.0mol/l。

较优选的方案，电解质凝胶层ii中电解质含量为0.01～0.06mol/l。

较优选的方案，电解质凝胶层i中电解质含量与电解质凝胶层ii中电解质含量的摩尔比不低于20。

较优选的方案，所述阳离子选择透过膜为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸盐、3-磺酸丙基甲基丙烯酸、3-磺酸丙基甲基丙烯酸盐中至少一种与丙烯酰胺的交联共聚物。

较优选的方案，所述阴离子选择透过膜为(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵和丙烯酰胺的交联共聚物。

本发明的生命电池采用含盐水凝胶材料来模拟电鳗放电组织，如电鳗放电细胞的膜结构及电解质环境。含盐水凝胶材料包括含有高浓度电解质(如氯化钠)的凝胶、阳离子选择透过膜、含有低浓度电解质的凝胶及阴离子选择透过膜。含盐水凝胶中盐分为氯化钠溶液，不同浓度的氯化钠凝胶模拟了电鳗放电细胞内外的电解质环境，电鳗依靠na⁺和cl^-的定向迁移产生电势差。阳离子选择透过膜为含有磺酸基的交联共聚物，阴离子选择透过膜为含有季铵盐的凝胶，分别模拟了电鳗放电细胞前后细胞膜结构。

本发明还提供一种用于生命电池制备的装置，其包括蠕动泵、同步定量注射控制器、紫外辐照仪、输油管及电池组装管；所述输油管的一端设置蠕动泵，另一端设有电池组装管，所述输油管沿蠕动泵一端至电池组装管一端依次设有同步定量注射控制器和紫外辐照仪。

优选的方案，所述蠕动泵设有载体油进口。

优选的方案，所述输油管靠近电池组装管一端的端口处设有载体油出口。

优选的方案，所述同步定量注射控制器设有五根注射管，五根注射管沿输油管依次间隔排布。所述同步定量注射控制器连接五根容量为10～50ml注射管，其各注射管相隔间距为1～5cm。同步定量注射控通过内置芯片的程序来控制注射开关，可设定注射量及注射频率，且每个注射管可独立开关，可以实现同步注射，也可以选择性注射。本发明涉及的内置芯片为市面上常见的，可以直接购买获得。

优选的方案，所述紫外辐照仪至少设有两组紫外灯管，紫外灯管均匀分布在输油管四周，保证输油管受紫外灯照射均匀。

优选的方案，所述输油管为聚氯乙烯(pvc)透明软管，内径5mm，外径6mm。

优选的方案，所述蠕动泵的额定流量范围为0.02～380ml/min。在制备生命电池过程中较优选流量为10～20ml/min。

优选的方案，所述紫外辐照仪为箱式外壳，尺寸：30cm(长)×20cm(宽)×20cm(高)，箱体中空两侧开口，口径1cm，输油管贯穿其中；箱体内部上下两侧装有紫外灯管(距离输油管约3cm)，其紫外光波长为302nm或365nm，功率25w。

优选的方案，输油管穿过紫外辐照仪后(约20cm处)在管下侧开出油口，口径2-4mm，携有凝胶的石蜡油经过出油口时，凝胶通过而石蜡油沿出油口流出，凝胶间隔消失，从而相互接触完成电池组装。

本发明还提供了一种基于生物放电原理的生命电池的制备方法，该方法采用所述装置制备生命电池，包括以下步骤：

1)开启蠕动泵向输油管输送载体油；

2)开启同步定量注射控制器向输油管同时定量注射5种凝胶组件原料；5种凝胶组件原料包括电解质凝胶层i原料、阳离子选择透过膜原料、电解质凝胶层ii原料、阴离子选择透过膜原料和电解质凝胶层i原料；

3)载体油将5种凝胶组件原料输送至紫外辐照仪内进行光催化交联聚合反应；

4)从紫外辐照仪出来的混合物产物脱除载体油后进入电池组装管组装，即得单个生命电池；

或者，

1)开启蠕动泵缓慢向输油管输送载体油；

2)开启同步定量注射控制器间歇式向输油管同时定量注射多种凝胶组件原料；第一次注射包括电解质凝胶层i原料、阳离子选择透过膜原料、电解质凝胶层ii原料、阴离子选择透过膜原料和电解质凝胶层i原料5种凝胶组件原料，第二次或第二次以后均注射包括电解质凝胶层i原料、阳离子选择透过膜原料、电解质凝胶层ii原料和阴离子选择透过膜原料4种凝胶组件原料；

3)载体油将多种凝胶组件原料输送至紫外辐照仪内进行交联聚合反应；

4)从紫外辐照仪出来的混合物产物脱除载体油后进入电池组装管组装，即得多个单体生命电池串联结构。

优选的方案，所述输油管内径4～10mm，载体油的流量为0.07～1140ml/min。

较优选的方案，所述载体油包括石蜡油。

优选的方案，所述电解质凝胶层i原料包含浓度为1.0～6.0mol/l的氯化钠、2.0～8.0mol/l的丙烯酰胺、0.03～0.1mol/l的n,n’-二甲基双丙烯酰胺及0.03～0.06mol/l的光引发剂。

优选的方案，所述阳离子选择透过膜原料包含浓度为1.0～3.0mol/l的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸盐、3-磺酸丙基甲基丙烯酸及3-磺酸丙基甲基丙烯酸盐中至少一种、2.0～8.0mol/l的丙烯酰胺、0.03～0.1mol/l的n,n’-二甲基双丙烯酰胺及0.01～0.03mol/l的光引发剂。

优选的方案，所述电解质凝胶层ii原料包含浓度为0.01～0.06mol/l的氯化钠、2.0～8.0mol/l的丙烯酰胺、0.03～0.1mol/l的n,n’-二甲基双丙烯酰胺及0.03～0.06mol/l的光引发剂。

优选的方案，所述阴离子选择透过膜原料包含浓度为1.0～3.0mol/l的(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵、2.0～8.0mol/l的丙烯酰胺及0.01～0.03mol/l的n,n’-二甲基双丙烯酰胺。

优选的方案，所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。该光引发剂在紫外光照条件下可以引发丙烯酰胺单体交联固化形成凝胶。

优选的方案，单个生命电池制备过程中5种凝胶组件原料各自的注射量均为0.2～0.8ml。

优选的方案，多个单体生命电池串联结构制备过程中第一次注射5种凝胶组件原料各自的注射量均为0.2～0.8ml，第二次及第二次以后4种凝胶组件原料各自的注射量均为0.2～0.8ml，每两次注射的间隔时间为≥20s。

优选的方案，所述紫外辐照仪，功率为10～50w，波长为265～420nm。

本发明的方法采用流控技术和光催化聚合技术制备凝胶和离子选择透过膜，再利用凝胶与离子选择透过膜组装成具有生物可兼容好，柔性好的“人造发电细胞”。

本发明的生命电池的制备主要是带有紫外辐照仪的流体控制装置，该装置包括蠕动泵、同步定量注射控制器、紫外辐照仪、输油管及电池组装管，蠕动泵、同步定量注射控制器、紫外辐照仪及电池组装管沿输油管依次水平排列。同步定量注射控制器设有五根注射管，五根注射管沿输油管依次间隔排布，注射管的头部与输油管连通。五根注射管分别用于注射不同的凝胶组件原料。所述紫外辐照仪至少设有两组紫外灯管。紫外照射仪主体结构为箱体，输油管贯穿箱体，箱体内设有多组紫外灯，紫外灯均匀分布在输油管周围。所述蠕动泵上设有载体油进口，所述输油管靠近电池组装管一端的端口处设有载体油出口。载体油从外部从蠕动泵的载体油入口进入，在蠕动泵的泵送下沿输油管缓慢流动，同步定量注射控制器间隔分布的注射器(从左至右一共五个)同步注入含高浓度氯化钠的凝胶前驱混合液、具有阳离子选择透过性的凝胶前驱混合液、含低浓度氯化钠的凝胶前驱混合液、具有阴离子选择透过性的凝胶前驱混合液和含高浓度氯化钠的凝胶前驱混合液，间隔分布的凝胶前驱体在石蜡油的输运下通过紫外辐照仪时，受紫外光照发生聚合形成水凝胶。随后，在流经出油孔时，油排除，凝胶间隔消失，凝胶进入电池组装管相互接触完成单体生命电池组装。

相比于现有技术，本发明的技术方案带来以下有益技术效果：

1.本发明的生命电池恰当地模拟了电鳗发电组织的解剖学结构及其放电机理，实现了生物放电机制向实际应用的技术转化。如图2所示，单个生命电池由5个不同成分的凝胶组件构成，从左至右依次为高浓度氯化钠凝胶、阳离子选择透过膜、低浓度氯化钠凝胶、阴离子选择透过膜和高浓度氯化钠凝胶。这种凝胶材料具有良好的离子迁移性，同时对电子绝缘。未组装前，凝胶间被石蜡油隔开，整体开路电压为0v；组装后，凝胶紧密接触，阳离子选择透过凝胶两侧的na⁺在浓度梯度驱使下从左向右迁移，电荷平衡被打破，左侧cl^-过剩荷负电，右侧na⁺富集而荷正电；同时，阴离子选择透过凝胶两侧的cl^-在浓度梯度驱使下从右向左迁移，使其左侧荷负电而右侧荷正电，电池整体开路电压达到110～185mv。此外，多个单体生命电池有序组装可实现电压的串联叠加效应。

2.本发明的生命电池采用聚丙烯酰胺类生物凝胶作为主体材料，具有良好的生物可兼容性和柔韧性，有望为人造器官、植入式或穿戴式电子器件提供更合适的支持电源。

3.本发明的生命电池的制备工艺简单、操作可控性强，且原料来源广泛、成本低廉，为生命电池的概念转化和量化生产提供了可行的技术路线。

4.本发明提供的用于生命电池制备的装置结构设计简单，巧妙，实用性强，集紫外辐照仪和流体控制设备于一体，可以同时实现单体生命电池制备或者实现多个单体生命电池有序组装。

附图说明

【图1】为用于生命电池制备的装置示意图；

【图2】为单体生命电池结构示意图；

1为石蜡油进口；2为蠕动泵；3为输油管；4为同步定量注射控制器；5～9为间隔分布的注射管；10为紫外辐照仪；11～12为紫外灯管；13为出油口；14为电池组装管；

a为电解质凝胶层i，b为阳离子选择透过膜，c为电解质凝胶层ii，d阴离子选择透过膜。

具体实施方式

以下实施例是为了更详细地解释本发明，这些实施例不对本发明构成任何限制，本发明可以按发明内容所述的任一方式实施。

实施例1

本实施例采用的流控设备示意图如图1所示。水平从左至右依次为进油口、蠕动泵、输油管、同步定量注射器、紫外辐照仪、出油口和电池组装管。运输载体选用工业级3#石蜡油，运动粘度(40℃)2.77mm²/s；输油管内径5mm，外径6mm；蠕动泵流量为15ml/min；5个注射器同步注射，注射量为0.4ml(15ml/min)；紫外光波长为365nm。

从左至右，5个注射器内的凝胶前驱混合液成分及含量分别为：

⑤氯化钠(2mol/l)，丙烯酰胺(5.5mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.067mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

⑥2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(2mol/l)，丙烯酰胺(3.7mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.045mol/l)、光引发剂(0.014mol/l)；

⑦氯化钠(0.02mol/l)，丙烯酰胺(5.5mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.067mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

⑧(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵(2mol/l)，丙烯酰胺(2.75mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.034mol/l)；

⑨氯化钠(2mol/l)，丙烯酰胺(5.5mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.067mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

所得凝胶组件为圆柱形，截面直径5mm，平均长度约5mm。5个凝胶组件组装成单体生命电池后，将铜箔电极插入两端的凝胶中，测得开路电压最高达到165mv。

实施例2

本实施例所用设备、原料及用量与实施例1相同，区别在于注射步骤。首次同步注射后，关闭⑨号注射器，随后其余4个注射器同步注射，注射量为0.4ml(0.3ml/min)，每次注射间隔20s，注射4组后停止，最终得到由21个凝胶、5个单体生命电池组装而成的电池组。将铜箔电极插入两端的凝胶中，测得开路电压最高达到0.71v。

实施例3

本实施例采用的流控设备及参数与实施例1相同。从左至右，5个注射器内的凝胶前驱混合液成分及含量分别为：(与实例1相比，组分浓度不同，另阳离子选择透过膜成分有所不同)

⑤氯化钠(3mol/l)，丙烯酰胺(5.1mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.062mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

⑥3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐(2mol/l)，丙烯酰胺(2.1mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.055mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

⑦氯化钠(0.015mol/l)，丙烯酰胺(4.1mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.051mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

⑧(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵(2mol/l)，丙烯酰胺(2.75mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.034mol/l)；

⑨氯化钠(3mol/l)，丙烯酰胺(5.5mol/l)、n,n’-二甲基双丙烯酰胺(0.067mol/l)、光引发剂(0.045mol/l)；

所得凝胶组件为圆柱形，截面直径5mm，平均长度约5mm。5个凝胶组件组装成单体生命电池后，将铜箔电极插入两端的凝胶中，测得开路电压最高达到178mv。