苏州大学刘瑞远教授AFM：蚕丝蛋白水凝胶实现透气、可拉伸、皮肤粘附电池

如果人类拥有电鳗的发电细胞，是不是就可以自己发电驱动可穿戴设备

苏州大学刘瑞远团队根据该设想，依托天然蛋白质（蚕丝蛋白）水凝胶设计了一款柔性电池，仿佛让皮肤“长”出了“电鳗细胞”，为可穿戴设备提供源源不断的电力支持。该电池不仅能与皮肤紧密贴合还具备优异的透气性可以保持皮肤的自然呼吸功能，确保长时间佩戴时不会产生皮肤刺激。同时，该电池还能像电鳗的发电细胞一样，通过多个电池的灵活集成增强电力表现。相关研究成果已发表在《Advanced Functional Materials》期刊，题为“A Flexible, Bioadhesive, and Breathable On-Skin Battery Based on Silk Fibroin Hydrogel for Wearable Electronics”。

在这项工作中，通过将锌阳极和优化的PEDOT:PSS导电聚合物阴极并行加载到蚕丝蛋白水凝胶膜上，作者提出了一种横向设计的柔性、粘合性、透气性皮肤电池（图1.a-c）。电流电压 (I-V) 曲线呈现近似线性行为，开路电压 (V_OC)约为 1.4 V，短路电流 (I_SC)约为 200 μA（图1.d）。由于电池具有良好的粘附性，它们可以直接粘附在皮肤上为发光二极管等电子设备供电（图 1e）。为了定性评估电池的拉伸性能，它被支撑在聚二甲基硅氧烷基板上，应变超过20 %，略高于皮肤的拉伸性（图1.f）。当它完全从皮肤上取出时，由于其极端的变形而坍塌（图1.g）。

图 1.基于蚕丝蛋白水凝胶的电池。

在该研究中，作者分析了蚕丝蛋白溶液中蛋白质纤维的表面电荷（图2.b），发现使用酸性溶剂有效抑制了蛋白质基团的静电排斥，促进了纤维的紧密组装（图2.c）。这一技术提升了蚕丝蛋白水凝胶的力学性能，使其拉伸性能达到150 %（图2.f）。此外，这种水凝胶在可见光波长范围内几乎不吸收光线，展示了超过90 %（图2.d）的优异透光性。通过红外图谱解析，研究表明水凝胶中不仅存在结晶区，还保留了非结晶区（图2.h），这些疏松非结晶区域的存在为气体的通过提供了便捷路径。同时，Ca²⁺和Cl^-离子在水凝胶中的流动使其具有高达1.72 S/m的离子电导率（图2.e），这对电池的性能至关重要。蛋白质是构成细胞的重要部分，因此，来源天然蛋白的蚕丝蛋白水凝胶展示出优异的生物相容性（图2.g）。

图2. 蚕丝蛋白水凝胶的结构和整体性能。

作者结合电镜微观下电池与皮肤的结合状态以及宏观上皮肤挤压、拉伸对电池的影响，定性展示了电池的粘附性（图3.a-b）。后续通过定量粘附力测量，进一步表征了电池在皮肤上的粘附能力：剪切强度 > 20 kPa，界面韧性 > 150 J/m²（图3.c-e），表明电池能够稳固地“长”在皮肤上。该电池设计独特，中间的大面积水凝胶部分允许气体透过，有效避免了汗液的积累，从而提升了设备的长期使用安全性（图3.f）。同时，电池在蛋白酶的作用下能够进行持续降解（图3.h），为未来可植入电池的开发奠定了基础。

图3.电池的粘附性和透气性的表征。

不同于电鳗cell依靠细胞膜内外侧离子浓度差发电，该cell两侧的锌金属阳极和PEDOT:PSSS导电聚合物阴极之间的氧化还原反应承担这将金属内部的化学能转化为电能的责任（图4.a），单独一枚电池就可以产生1.4 V电压和近12 h的持续电流输出（图4.b）。电池本身的可拉伸性和与基底的优异结合，允许电池在弯曲、拉伸甚至扭曲条件下保持高度的稳定性（图4.c-e），通过外接不同阻值负载，测量出其最高输出功率达到72 μW/cm²（图4.f），足以为低功率设备供电。除了以上优异的电气性能，这更是第一款将粘附性和透气性纳入设计需求的on-skin电池（图4.g）。

图4.电池的电输出性能。

最后，作者展示了该电池在人体上的集成情况。佩戴者可以将电池集成在手腕、脸颊和喉咙等部位，实现“长”出发电cell，为附近的电子设备提供便捷的电源（图5.a）。此外，作者展示了电池集成的灵活性，通过使用不同数量的电池和多种连接方式，可以根据可穿戴设备对电压和电流的需求，配置相应的电池阵列（图5.b-c）。在与纽扣电池和小型太阳能电池的用户体验进行比较时，该电池显示出其在使用过程中的优越性，能够最小化对佩戴者生理和心理的影响（图5.d）。特别是，在手腕部位集成了一个2×2 cm大小的电池阵列，用于为电致变色器件供电，作为一种可穿戴显示器（图5.e-g），进一步验证了电池在实际应用中的实用性和舒适性。

图5.电池阵列的集成和应用。

总结：刘瑞远团队这项工作所展示的可穿戴电池新设计思路，凭借着良好的性能和出色的用户舒适性，为医疗保健、健身追踪等领域的可穿戴电子设备应用带来了全新的可能。后续，器件材料的优化更新和电池结构的进一步设计将有望大大提升电池整体性能，使其有机会成为未来智能设备的关键部件，进一步推动可穿戴技术的发展。

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