植入式生物電子器件具有實時健康監測、個性化治療、人機交互等功能，有望推動多個領域的產業革命，是目前國際研究的前沿熱點。然而，能源供給是該領域發展的關鍵難題。植入式電子器件需要高能量密度且生物安全的能源系統為其供電。鋰、鈉等金屬離子電池能量密度較低，鋅、鋁等金屬空氣電池通常需要使用堿性電解質，生物毒性較大。

鎂空氣電池具有較高的理論能量密度，使用中性電解質，且鎂生物安全性較高，是一種較為理想的體內能源設備。然而，目前報道的鎂空氣電池實際能量密度低，一方面是由于鎂負極和水系電解質容易發生腐蝕反應。另一方面放電產物氫氧化鎂會附著在鎂金屬表面，阻止電解質和鎂的接觸，使放電反應停止，降低鎂負極的利用率。

南京大學張曄課題組等設計了一種雙層凝膠電解質，實現了對鎂金屬負極的保護以及對放電產物的調控，獲得了具有高能量密度的鎂空氣電池（2282 W h·kg-1，基于全部空氣電極和鎂負極的質量），遠高于目前文獻中采用合金化負極和抗腐蝕電解液等策略的鎂空氣電池。該研究成果以“High-energy-density magnesium-air battery based on dual-layer gel electrolyte”為題發表于國際知名學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104536

雙層凝膠電解質是由聚氧化乙烯有機凝膠和聚丙烯酰胺水凝膠組成，兩層凝膠可以形成穩定界面，其中聚氧化乙烯有機凝膠有效保護鎂金屬，抑制腐蝕。聚丙烯酰胺水凝膠電解質不僅為空氣電極發生的氧還原反應提供了必要的水，而且研究發現當使用含氯金屬鹽(氯化鋰、氯化鈉)的水凝膠時，鎂空氣電池的放電產物為具有獨特針狀結構的Mg2Cl(OH)3，而不是文獻中通常報道的致密的氫氧化鎂。此外，在放電過程中，針狀結構的Mg2Cl(OH)3有利于電解質和未反應的鎂負極充分接觸，使放電過程可以持續進行，從而提高了鎂負極的利用率和電池的能量密度。

圖1 鎂空氣電池在（a）常規液態電解質和（b）雙層凝膠電解質中的放電示意圖。

圖2 鎂空氣電池的電化學性能。

圖3 放電產物分析。（a-e）使用含氯金屬鹽的雙層凝膠電解質的鎂空氣電池產物為針狀形貌的Mg2Cl(OH)3。（f-g）使用不含氯金屬鹽的雙層凝膠電解質的鎂空氣電池產物為致密的氫氧化鎂。

總的來說，該工作提出了一種解決鎂空氣電池實際能量密度低的新策略，該電池也具有較好的柔性，并且可以浸泡在水中穩定工作，展現出了良好的應用前景。 現代工學院一年級博士研究生李錄河為該論文的第一作者、一年級碩士研究生陳昊為該論文的第二作者。本工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項基金、南京大學啟動經費等項目資助。

本文來自“南京大學”。

推薦閱讀：

歡迎微信后臺回復“應聘編輯”加入我們

實用！Origin軟件使用經典問題集錦

免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研

合作 投稿 點擊此處

歡迎留言，分享觀點。點亮在看??