[發明專利]多孔抗污界面、電池電極、電池及制備方法

有效

• 申請號: 202111054225.1
• 申請日: 2021-09-09
• 公開（公告）號: CN113764712B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 張曄;王列;何兒
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;H01M4/90;H01M4/88;C12N9/02;C12N9/04
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 金龍

本發明涉及體內能源電池領域，更具體地說，涉及一種多孔抗污界面、電池電極、電池及制備方法。針對生物燃料電池植入體內后受到體液影響，電極表面會產生生物污染并失活，導致其性能嚴重降低的問題，本發明提供了一種多孔抗污界面、電池電極、電池及制備方法，生物燃料電池由生物負極及部分絕緣的生物正極加捻組成，且正負極分別由碳納米管纖維、用于電子轉移調節的介體和多孔抗污界面組成，該界面由酶、抗污聚合物和陽離子聚合物組成：采用抗污聚合物來抵抗生物體液中細胞及蛋白質的污染，陽離子聚合物增強電極表面酶的固定，且多孔網絡結構使反應物持續滲透。實現了生物燃料電池植入體內后能夠保持穩定、高性能的輸出。

技術領域

本發明涉及體內能源電池領域，更具體地說，涉及一種多孔抗污界面、電池電極、電池及制備方法。

背景技術

植入式電子器件具有實時健康監測、疾病診療、人機交互、人體增強等功能，有望推動生物醫療、人工智能、軍事國防等多個重大戰略領域的產業革命，是目前國際上被重點研究的一個前沿技術。然而，體內能源供給是該領域發展的關鍵難題。生物燃料電池利用作為生物催化劑的酶來獲取能源。它能夠將體內葡萄糖等生物質中的化學能轉換為電能，有望從生物體中持續獲取能源，成為長期可靠的植入式能源獲取器件。

在過去的十幾年里，研究者嘗試開發了植入式生物燃料電池并成功在蝸牛、蛤蜊、蟑螂、老鼠、兔子等生物體中實現了能源獲取。然而，由于生物燃料電池是半開放體系，植入體內后，受生物體液影響嚴重，導致其性能衰退及使用壽命降低。主要原因為：一方面，生物體液中的細胞、蛋白質等極易吸附污染器件表面并形成致密的生物污染層，極大阻礙了生物催化反應的進行；另一方面，生物體液一直處于動態流動的狀態，這使得電極表面的酶會被體液沖刷以致脫落，導致電池性能迅速衰退。目前還未有研究或發明考慮到生物燃料電池受生物體液負面影響的問題，器件的體內性能還遠小于體外性能。

發明內容

1.要解決的技術問題

針對現有技術中生物燃料電池在體液中工作時，受生物體液負面影響，發生生物污染及酶脫落等問題，本發明提供了一種多孔抗污界面、電池電極、電池及制備方法，它不僅能抵抗體液的生物污染，還能持續滲透反應物，并改善了酶的固定，進一步提高整體生物電催化性能，為應用于生物醫學的高性能植入電子器件開辟了新的方向。

2.技術方案

本發明的目的通過以下技術方案實現。

本方案根據上述要求，提供了一種具有多孔抗污界面的高功率植入式生物燃料電池，由具有多孔抗污界面的負極纖維及部分絕緣的正極纖維加捻組成。

優選的，所述的具有多孔抗污界面的部分絕緣的正極纖維由聚二甲基硅氧烷涂覆在碳納米管纖維的上半部分實現絕緣，在剩余未絕緣部分，由內而外依次設置電化學沉積層2-氨基蒽和多孔抗污界面以同軸結構組成。

所述的負極纖維由內而外依次設置碳納米管纖維、電化學沉積層聚亞甲基藍和多孔抗污界面以同軸結構組成。

所述的一種具有多孔抗污界面的高功率植入式生物燃料電池，所述的多孔抗污界面由按比例混合的酶溶液、聚乙烯醇溶液和聚(乙烯醇)-N-甲基-4(4'-甲酰基苯乙烯基)吡啶鎓甲硫酸乙縮醛溶液作為前驅體溶液，經光聚合反應形成。

多孔抗污界面的制備方法，具體步驟如下：

將多孔抗污界面的前驅體溶液均勻涂覆在生物電極表面，于室溫下經紫外燈照射(λ＝365nm)15-45min得到。

優選的，所述的多孔抗污界面的前驅體溶液的制備步驟如下：

將質量為0.05-0.1g的聚乙烯醇加入到體積為10-20mL的去離子水中，于80-97℃的條件下攪拌溶解，得到聚乙烯醇溶液；