[发明专利]一种基于微流控的柔性离子凝胶电池的高通量制造方法

说明书

一种基于微流控的柔性离子凝胶电池及其高通量制造方法，包括柔性封装的离子凝胶电池，离子凝胶电池采用凝胶电池颗粒按照顺序组装，离子凝胶电池包括组合的两套离子凝胶电池的灌流系统，即阴阳离子选择性凝胶电池灌流系统和高低浓度盐凝胶电池灌流系统，同种凝胶电池材料微孔通过微流道系统连通，两种凝胶电池颗粒在同一平面上水平方向间隔排列，在竖直方向同种凝胶电池颗粒相邻或间隔分布；灌流系统包括含微流道和凝胶电池微孔结构的柔性上盖片和柔性基底，柔性上盖片中微流道和凝胶电池微孔结构根据凝胶电池结构设计；本发明避免由于打印时间过长引起的凝胶材料失水问题，同时大幅提升制造效率，实现仿生柔性离子凝胶电池的高通量制造。

技术领域

本发明涉及凝胶电池制造技术领域，尤其涉及一种基于微流控的柔性离子凝胶电池及其高通量制造方法。

背景技术

随着传统化石能源逐渐枯竭，能源危机的进一步加剧，开发新型、高效、可再生能源技术迫在眉睫。在自然界中，电鳗、电鳐等发电鱼类能够将生物能高效转化为电能并瞬间释放出10～800V的高压，其原理是：电鳗的发电器官内分布着成百上千个发电细胞，当受到刺激时，发电细胞前膜上的Na+通道打开而K+通道关闭，从而导致Na+跨过细胞前膜向细胞内流动，而K+则跨过细胞后膜向细胞外流动，依靠离子跨膜运输每个发电细胞可产生约150mV的电压。在神经系统的调控下，发电器官内的这些发电细胞“电池单元”能够有序定向串联排布，从而实现生物电能的高效输出。

模拟发电鱼类发电机理为探索生物能源的设计制造方法开辟了新方向。已有研究利用四种离子凝胶材料，分别通过高、低盐凝胶模拟发电细胞膜内外的离子浓度梯度，通过阳、阴离子选择性凝胶的离子选择透过性模拟发电细胞膜的选择透过性，构建了一种新型绿色高效的柔性离子凝胶电池。使用多喷头点胶机聚氯乙烯薄膜上依次打印了四种凝胶电池颗粒阵列并按顺序组装产生电势差，通过串联上千个凝胶电池单元可产生最高110V开路电压。利用3D打印方法可以实现微小凝胶电池颗粒的精准制造，但大规模制造耗时较长，在制造过程中每种电池材料依次打印，由于制造时间较长已打印的凝胶电池颗粒在空气中失水，导致已打印的液滴液量不同程度地小于设计液量，影响制造精度，制造工艺不可控，导致大规模制造效率受限。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微流控的柔性离子凝胶电池及其高通量制造方法，基于微流控技术的灌流技术可以避免由于打印时间过长引起的凝胶材料失水问题，同时大幅提升制造效率，实现仿生多材料凝胶电池的高通量制造。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于微流控的柔性离子凝胶电池，包括柔性封装的离子凝胶电池，离子凝胶电池采用四种凝胶电池颗粒按照顺序组装，四种凝胶电池颗粒分别为高浓度盐凝胶电池颗粒、阳离子选择性凝胶电池颗粒、低浓度盐凝胶电池颗粒和阴离子选择性凝胶电池颗粒，并按以上顺序组装；离子凝胶电池包括组合的两套离子凝胶电池的灌流系统，即阴阳离子选择性凝胶电池灌流系统和高低浓度盐凝胶电池灌流系统，同种凝胶电池材料微孔通过微流道系统连通，两种凝胶电池颗粒在同一平面上水平方向间隔排列，在竖直方向同种凝胶电池颗粒相邻或间隔分布；灌流系统包括含微流道和凝胶电池微孔结构的柔性上盖片和柔性基底，柔性上盖片中微流道和凝胶电池微孔结构根据凝胶电池结构设计。

所述的柔性离子凝胶电池为仿生全柔性电池，高低浓度盐凝胶电池材料主要成分为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锌、硫酸锌、硫酸铵、硝酸钾、硝酸钠、硫酸钠或硫酸钾。

所述的柔性上盖片主要成分为PDMS或PVA等，柔性基底为PVC、胶带、铜箔或琼脂糖等。

所述的灌流系统中微流道尺寸为50μm-500μm，凝胶电池颗粒的尺寸大小为0.5mm-10mm，相邻凝胶电池颗粒的间距为凝胶颗粒直径的1/5～9/10。

一种基于微流控的柔性离子凝胶电池的高通量制造方法，包括以下步骤：

步骤01：根据离子凝胶电池结构设计包含微流道及凝胶电池微孔结构的上盖片；