一种可靶向能量传递的可游泳微型电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于微型电池技术领域，具体为一种可靶向能量传递的可游泳微型电池及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种可靶向能量传递的可游泳微型电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于微型电池
，具体涉及一种可靶向能量传递的可游泳微型电池及其制备方法
。

技术介绍

[0002]近年来，物联网和智慧医疗领域的蓬勃发展促进了各种功能性电子器件的微型化和集成化，这些微电子器件在便捷生活
、
人体健康监测以及疾病的早期诊断和治疗等领域展现出了强大的实用价值，而它们功能的日趋复杂以及长期工作需求也对其不可或缺的能量供给模块
(
如电池
、
电容器
、
燃料电池等
)
提出了更高要求
。
在目前广泛研究和使用的各种能量储存器件中，可充电水系微型电池因其具有可靠的安全性
、
较高的能量密度
、
易于操作制备以及稳定的电压输出等优势，因而在便携式可穿戴和可植入电子器件领域展现出了广阔的应用前景，并且受到了包括学术界和工业界在内广大研究人员的广泛关注
。
然而，目前可充电微型电池的应用主要局限于作为一种具有单一功能的能量存储器件单元而被集成在微电子系统中
。
[0003]确保稳定且不间断的能源供应对于电子器件的正常运行至关重要
。
一般而言，当电子器件因为电量耗尽而停止工作时，人们主要通过依靠直接的人为干预来更换电子器件中的电池或者为其充电来延长器件的使用寿命
。
然而这种相对单一并且人为的能源供应策略在某些特定场景下可能被证明是无效的，特别是当面临复杂的体内环境时
。
因为在这些情况下，传统上笨重的充电装置或者直接的人为干预通常都是不可实现的，例如目前体内的电刺激器件主要依赖于手术移除电池来进行更换，但是这一复杂过程总是会不可避免地给患者带来继发性痛苦创伤以及潜在的感染风险，因此一旦器件的能量被耗尽，通过传统方式给用电器供电就会变得非常具有挑战性，这可能会导致微电子器件停止运行并极大的缩短其整体使用寿命
。
目前对于微型电池的研究工作主要集中在提高单个器件的电化学性能以及开发先进的加工或制备方法上，而电池却往往被视为一种孤立和具有单一功能的储能单元
。
尽管如此，人们对于能够在复杂应用场景中自主地为微电子器件供电而无需人工干预的微型电池的关注却十分有限
。
因此，针对潜在体内可植入微电子器件对能源供应的迫切需求，亟需开发一种尺寸微型
、
结构组成柔软
、
可无接触自主远程驱动以及可以靶向识别微电子器件并稳定供能的微型电池
。

技术实现思路

[0004]针对现有微型电池供能方式传统
、
功能单一
、
适用场景有限等问题，本专利技术的目的在于提供一种具有自主和非接触式靶向能量供应策略的可游泳微型电池及其制备方法
。
[0005]本专利技术提供的用于靶向能量传递的可游泳微型电池，由聚二甲基硅氧烷
/
四氧化三铁复合薄膜作为软磁性基底，聚二甲基硅氧烷
/
铷铁硼复合材料作为硬磁性极耳，打印导电油墨
(
石墨
、
石墨烯和导电炭黑
)
作为集流体，打印电池正极油墨
(
正极活性材料
、
石墨
、
石墨烯和导电炭黑
)
和电池负极油墨
(
负极活性材料
、
石墨
、
石墨烯和导电炭黑
)
分别作为电池
的正负极，在柔性电极表面涂覆凝胶电解质并进行卷绕和封装；软磁性基底和硬磁性极耳分别赋予微型电池磁驱动游泳及靶向能量传递的功能；制备步骤包括磁性纳米四氧化三铁颗粒的合成，电极油墨的制备，凝胶电解质的制备，硬磁性和软磁性复合薄膜的制备，柔性电极的制备和可游泳微型电池的组装及操控
。
[0006]本专利技术提供的用于靶向能量传递的可游泳微型电池的制备方法，具体步骤为：
[0007](1)
磁性纳米四氧化三铁颗粒的合成：采用共沉淀法来制备磁性纳米四氧化三铁；首先将
FeCl2·
4H2O
和
FeCl3·
6H2O
加入到去离子水中，将混合物溶液在氮气气氛下剧烈搅拌均匀；随后滴加
NaOH
溶液，确定四氧化三铁纳米颗粒的形成；然后将溶液冷却至室温并连续搅拌，使其完全结晶；最后将溶液超声
、
离心
、
干燥，即得到磁性纳米四氧化三铁颗粒；
[0008](2)
电极油墨的制备：将一定量的热塑性聚氨酯树脂加入到
N,N
‑
二甲基甲酰胺溶剂中，加热
、
搅拌，使其完全溶解；然后将石墨
、
石墨烯
、
导电炭黑和电池正
、
负极活性材料加入到上述混合溶液中，在室温下剧烈搅拌均匀，得到具有不同组份和功能的电极油墨，包括：碳基集流体导电油墨
、
电池正极油墨
、
电池负极油墨；油墨粘度可以通过改变粘结剂含量和固含量
/
溶剂比例进行调整；
[0009](3)
凝胶电解质的制备：将一定量的木质纤维素和聚乙烯醇
(PVA)
树脂于去离子水中混合，加热，并搅拌至混合均匀；随后加入电解质盐
(
如氯化锌
、
硫酸锂
、
硫酸钠等
)
，继续至均匀；冷却至室温，得到
PVA
基准固态凝胶电解质；
[0010](4)
硬磁性和软磁性复合薄膜的制备：将
NdFeB
颗粒和磁性纳米四氧化三铁
(Fe3O4)
颗粒分别均匀混合到未固化的聚二甲基硅氧烷
(PDMS)
树脂中，加入固化剂后分别通过模具成型和旋涂法制备磁性复合薄膜；
PDMS/NdFeB
复合薄膜冷却固化后经脉冲磁场充磁，得到硬磁性复合薄膜，
PDMS/Fe3O4复合薄膜经冷却固化后得到软磁性复合基底；
[0011](5)
柔性电极的制备：采用喷雾打印技术制备指交错结构柔性电极；首先将集流体电极油墨打印到覆盖有定制掩膜板的软磁性复合基底上；然后把集流体电极油墨更换为正极油墨
、
负极油墨，采用相同的喷雾打印流程，依次喷雾打印到两个碳基集流体上，即得到负载有活性物质的柔性电极；
[0012](6)
可游泳微型电池的组装及操控：
[0013]首先将
PDMS/NdFeB
硬磁性复合薄膜切割成需要的尺寸
(
比如
0.6mm
×
3mm)
的长条状，使用商用
502
胶将剪切后的
PDMS/N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可靶向能量传递的可游泳微型电池及其制备方法，其特征在于，由聚二甲基硅氧烷
/
四氧化三铁复合薄膜作为软磁性基底，聚二甲基硅氧烷
/
铷铁硼复合材料作为硬磁性极耳，打印导电油墨作为集流体，打印电池正极油墨和电池负极油墨分别作为电池的正负极，在柔性电极表面涂覆凝胶电解质并进行卷绕和封装；其中，导电油墨包括石墨
、
石墨烯和导电炭黑；正极油墨包括正极活性材料
、
石墨
、
石墨烯和导电炭黑；电池负极油墨包括负极活性材料
、
石墨
、
石墨烯和导电炭黑；软磁性基底和硬磁性极耳分别赋予微型电池磁驱动游泳及靶向能量传递的功能；制备具体步骤为：
(1)
磁性纳米四氧化三铁颗粒的合成：采用共沉淀法来制备磁性纳米四氧化三铁；首先将
FeCl2·
4H2O
和
FeCl3·
6H2O
加入到去离子水中，将混合物溶液在氮气气氛下剧烈搅拌均匀；随后滴加
NaOH
溶液，确定四氧化三铁纳米颗粒的形成；然后将溶液冷却至室温并连续搅拌，使其完全结晶；最后将溶液超声
、
离心
、
干燥，即得到磁性纳米四氧化三铁颗粒；
(2)
电极油墨的制备：将一定量的热塑性聚氨酯树脂加入到
N,N
‑
二甲基甲酰胺溶剂中，加热
、
搅拌，使其完全溶解；然后将石墨
、
石墨烯
、
导电炭黑和电池正
、
负极活性材料加入到上述混合溶液中，在室温下剧烈搅拌均匀，得到具有不同组份和功能的电极油墨，包括：碳基集流体导电油墨
、
电池正极油墨
、
电池负极油墨；油墨粘度可以通过改变粘结剂含量和固含量
/
溶剂比例进行调整；
(3)
凝胶电解质的制备：将一定量的木质纤维素和聚乙烯醇
(PVA)
树脂于去离子水中混合，加热，并搅拌至混合均匀；随后加入电解质盐
(
如氯化锌
、
硫酸锂
、
硫酸钠等
)
，继续至均匀；冷却至室温，得到
PVA
基准固态凝胶电解质；
(4)
硬磁性和软磁性复合薄膜的制备：将
NdFeB
颗粒和磁性纳米四氧化三铁
(Fe3O4)
颗粒分别均匀混合到未固化的聚二甲基硅氧烷
(PDMS)
树脂中，加入固化剂后分别通过模具成型和旋涂法制备磁性复合薄膜；
PDMS/NdFeB
复合薄膜冷却固化后经脉冲磁场充磁，得到硬磁性复合薄膜，
PDMS/Fe3O4复合薄膜经冷却固化后得到软磁性复合基底；
(5)
柔性电极的制备：采用喷雾打印技术制备指交错结构柔性电极；首先将集流体电极油墨打印到覆盖有定制掩膜板的软磁性复合基底上；然后把集流体电极油墨更换为正极油墨
、
负极油墨，采用相同的喷雾打印流程，依次喷雾打印到两个碳基集流体上，即得到负载有活性物质的柔性电极；
(6)
可游泳微型电池的组装及操控：首先将
PDMS/NdFeB
硬磁性复合薄膜切割成需要的尺寸的长条状，使用
502
胶将剪切后的
PDMS/NdFeB
硬磁性复合薄膜与
PDMS/Fe3O4软磁性复合基底紧密粘合；随后将导电银胶均匀涂覆在
PDMS/NdFeB
硬磁性复合薄膜表面，以建立与柔性微型电池正极和负极相连接的导电通路，并在
70
‑
80℃
下干燥；然后将凝胶电解质均匀涂覆在柔性电极表面，在室温下静置
10
‑
12h
以去除多余水分，得到表面固化的平面准固态微型电池；最后将平面微型电池卷绕起来，用防水硅胶密封电池两端，得到用于靶向能量传递的可游泳微型电池；使用钕铁硼永磁体操控可游泳微型电池的运动；即利用钕铁硼永磁体产生空间变化的磁场操控可游动微型电池，包括通过控制外界磁场的平移
、
旋转和翻滚来实现的对应可游泳微型电池的相应的运动；微型电池的游泳速度的大小，通过作用于微型电池的钕铁硼永磁体的磁场强度即微型电池和永磁体之间的距离来调控
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
的具体流程为：先将
0.015
‑
0.02mol FeCl2·
4H2O
和
0.006
‑
0.01mol FeCl3·
6H2O
溶于三颈烧瓶中的
70
‑
90mL
去离子水中，将所得混合物溶液在氮气气氛下于
45
‑
55℃
剧烈搅拌
0.5
‑
2h
；然后将8‑
12mL
的
0.4
‑
0.6M NaOH
溶液滴加到上述溶液中，溶液颜色从棕色变为黑色，表明四氧化三铁纳米颗粒的形成；然后将所得黑色溶液冷却至室温并连续搅拌
0.5
‑
2h
，使其完全结晶；将溶液超声搅拌
0.5
‑
2h
，并用去离子水离心清洗3‑5次；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵杰，李鹏洲，杨哲，彭慧胜，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：