李玉良院士团队研发智能固态镁水汽电池，响应时间不到0.24秒，革新传统电池结构特点

2010 年，中科院院士课题组首次合成石墨炔，这是一种具备二维平面网络结构的全碳材料，也是一种新型的碳同素异形体，由碳碳炔键（sp 碳）将苯环（sp2 碳）共轭连接而成。

其表面电荷分布极不均匀，因此表面活性很高，极易产生奇特的物理性质和化学性质。

图 | 院士（来源：资料图）

由于具有丰富的碳化学键、较大的共轭体系、天然的孔洞结构和本征带隙等特点，在推动催化、能源、光电转换等领域，石墨炔是一种能带来创新性发展的材料。

院士表示：“石墨炔的成功制备，终结了合成化学不能制备全碳材料的历史，开创了人工合成新型碳同素异形体的先河，开辟了碳材料的新领域。”

上述成果正式面世之后，越来越多的学者也加入到石墨炔的研究领域，不断发展了石墨炔材料的制备方法，发现了石墨炔更多优异的性质和应用。

此外，针对以 sp 和 sp2 两种杂化碳形态存在的石墨炔衍生结构，科学家们也进行了探索，拓展了石墨炔的研究方向，并让其成为最有潜力的新材料之一。

“目前全球已有 60 多个国家和地区的 500 多个研究团队，在对石墨炔开展研究。中科院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心和科睿唯安等机构联合向全球发布的《2020 研究前沿》报告显示，石墨炔已成为化学与材料科学领域的十大热点前沿之一。”院士说。

由于石墨炔独特的电子结构和化学结构，尤其是 sp 杂化的碳碳三键、高度共轭的二维平面结构，使其具有丰富的碳化学键、化学稳定性、半导体性能、以及较高的机械强度，在设计多功能的智能能源存储和转换器件上，石墨炔是最适合的备选材料之一。

利用石墨炔优点，造出智能固态镁水汽电池

当下，智能多功能电子产品的快速发展，也对电化学储能器件提出了更多要求。除了传统的电池功能以外，智能响应的自适应调节能力，也将极大丰富电子产品的功能。因此，设计一款集成型电池、以及具备智能转换功能的新型电化学储能系统，变得愈发重要。

尤其是智能能源存储和转换设备，它能根据环境变化进行自我调节，同时能以可靠的能源转换方式，提供稳定持久的能源输出。

在这方面，人们不断尝试将储能单元和智能功能元件，集成到单个电池器件中。例如，通过在电池中引入拉伸性/压缩性、自我修复能力、光电效应和热响应等，希望得到具备智能刺激响应能力的设备。

然而，这些设备在投入实际应用时，往往需要复杂的结构设计，而且灵敏度和安全性也差强人意。

这些材料应该具备的特点是：能容易从光、电、热、磁、湿度、机械等信号中感知环境变化或刺激，并做出既灵敏又准确的反应。

然而，传统的材料比如聚合物材料、无机化合物和金属合金，均存在各种局限性。因此，仍需探索合适的材料。

值得注意的是，石墨炔材料的导电性相对合适，再加上前面提到的优势，其在开发多功能智能器件中，可谓是一种前景广阔的材料。

在课题组的近期工作中，他们发展了材料制备和电池器件集成新方法，研发的智能固态镁-水汽电池，利用了石墨炔的以下特点：丰富的炔键、不均匀的电荷分布、可以捕获水分子、能够催化水分解的特点，以及其天然带隙能够吸收可见光、具备光能/电能转化等性质。

这款电池不仅可以作为自供电的湿度监测器，还具有超快的响应时间、恢复时间、以及超高的灵敏度，故可用于人体呼吸的实时监测，在光学传感器和光电能源系统等设备中，也具有较大的应用前景。

可以说，针对此前多数智能响应器件仅限于单一刺激响应的问题，该成果发展了全新的能源智能转换方法，提出了新结构的电池设计理念，解决了智能响应电池器件结构复杂、灵敏度较低等问题。这种具有智能管理模式的新概念电池，为开发下一代智能多功能电子设备，带来了新的启发和发展方向。

日前，相关论文以《直接生长石墨二烯纳米阵列阴极集成智能固体镁-水汽电池》（）为题发表在 JACS 上 [1]。

图 | 相关论文（来源：JACS）

付新龙是第一作者，中科院化学所院士和研究员担任共同通讯作者。

院士表示：“评审专家认为，这款电池为创造具有多种智能功能的新概念电池指明了道路。他们认为我们智能能源存储和转换设备的扩展功能超出了电池本身的传统功能，提出了智能多响应电池器件构建的普适方法，极大地丰富了电池的内涵，开拓了电池的新概念和新应用方向。”

另外，审稿人还评价称：“该成果能把太阳能转化为电能，实现了电池结构的创新和功能的突破，能给电池设计和研究带来极大的启迪，显示了石墨炔对电池研究领域的变革性影响。”

据介绍，这款智能固态镁-水汽电池，主要基于石墨炔基的湿度相应和光响应，故也能带动智能多响应电池、智能自供电传感器件、人工智能穿戴器件、智能能源转换等多领域的进步。

（来源：JACS）

恢复时间小于 0.16 秒，具备 36600% 的超高灵敏度

研究中，课题组分析了目前国内外电池、可穿戴设备、自供电系统、多功能电子设备等领域的发展现状。

基于过去石墨炔和电化学基础和应用研究的积累，他们发展和设计了这款电池。在前期，探索重点在于石墨炔聚集态结构的可控合成上。针对石墨炔的各种性质，该团队发展了关于石墨炔聚集态的可控制备方法，建立了相关的合成方法学。

期间，他们采用不同基底，探索了多种合成方式，例如溶剂法、常温法、水热法等，以期找到最佳的合成路径。

在电池的智能多响应中，会涉及到传质、传荷过程以及光电转换，为此课题组设计了石墨炔纳米阵列结构，从而得以控制膜的厚度、传质路径和光吸收比表面。之后，又对材料结构和形貌进行表征。

当具有特定聚集态形貌的石墨炔被合成以后，下一个重点在于电池组装和性能测试。通过参考之前的研究，再结合石墨炔的特征，智能固态镁-水汽电池的这一全新的体系被构建出来。

通过测试电池性能、以及不同外界信号刺激对电池性能的影响，该团队发现电池非常依赖环境湿度。而石墨炔具有天然带隙，故可以被光激发，因此光也会提升电池的性能。

而且，他们发现电池不会受到热的显著影响。“这些结果带来了鼓舞，我们接着把电池体系作为自供电湿度检测器，来用于检测人体呼吸。数据显示，基于石墨炔的固态镁-水汽电池，显示出小于 0.24 秒的超快响应时间、和小于 0.16 秒的恢复时间、以及 36600% 的超高灵敏度，这超过多数已知的呼吸/湿度传感器。”院士表示。

另据悉，在最初设计电池结构时，课题组尝试过传统的负极、电解质、隔膜和正极等结构。结果发现，虽然基于这类结构电池，也能产生较好的性能和灵敏度，但依然存在界面电阻和界面相融等问题，无法完全发挥石墨炔的优势。

为此，通过不断地尝试，他们创新性地提出了这款全固态镁-水汽电池，无需电解质和隔膜，极大简化了电池结构，突破了传统电池的结构特点，这也再次显示了石墨炔对电池研究领域的变革性影响。

事实上，石墨炔独特的碳杂化网络结构和电子特性，让其可以作为多种场景的潜在应用材料。相比其他碳材料，在结构和制备上它有着出色的可控性。

因此，院士和团队仍将结合石墨炔研究，探究石墨炔基新概念电池对于不同外界刺激信号的响应情况。

他还表示，通过化学反应的方法，能让杂原子和官能团引入石墨炔内，从而精准调节石墨炔的电子结构、光学特性和表面能等。

所以，他和同事还将通过能带工程，来调控石墨炔的带隙，以让其成为一种更好的连续响应材料，进而发展包括基于光控制的新型多响应电池等智能能源存储和转换器件。

参考资料：

1.Fu, X., He, F., Gao, J., Yan, X., Chang, Q., Zhang, Z., ... & Li, Y. (2022). Directly Growing Graphdiyne Nanoarray Cathode to Integrate an Intelligent Solid Mg-Moisture Battery. Journal of the American Chemical Society.

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