新加坡南洋理工大学开发新型隐形眼镜电池

微信视频预览查看

新加坡南洋理工大学（NTU ）的研究人员发明了一种超薄的其厚度与人类角膜相当的柔性电池。这种新型电池在浸泡在盐水溶液中时储存能量，有望有朝一日为智能隐形眼镜供电。

这项研究始于两个简单的问题：

1）隐形眼镜电池是否可以用我们的眼泪充电？

2）如何实现自充电。

01、研究背景

智能隐形眼镜 是一种可穿戴设备，承诺为佩戴者提供医疗诊断和个人应用，通常由传感器、无线通信器、执行器和电源组成。用于慢性眼病如青光眼眼压监测等。

为智能隐形眼镜开发电源 主要集中在通过感应式电力传输、超级电容器、生物燃料电池或其他传统电池提供电力。

然而，所有这些方法都存在未解决的技术挑战，阻碍了它们与智能隐形眼镜的商业化：

1） 尽管感应式电力传输可以提供高功率而不会因产生的热量而引起安全问题，但需要在一定距离内佩戴笨重的发射器和接收器。 这种限制虽然没有妨碍特殊场景下的应用，如医疗诊断，但会使隐形眼镜不适合日常使用。

2） 生物燃料电池可以在原位产生电力，但对于大多数应用来说提供的功率密度不足。

3） 传统电池可以克服这两个问题，为智能隐形眼镜提供足够的电力，而不会给佩戴者带来电力传输设备的负担。 然而，传统电池包含各种材料，如有机溶剂和浓缩盐，如果泄漏可能会导致严重的眼部损伤。

因此，为智能隐形眼镜应用开发安全的电池是必要的。该研究团队开发了一种与隐形眼镜一体化的水性电池，其电解质是人工泪液溶液，因此可以避免机械破裂和泄漏危险化学物质的任何担忧。

02、问题和解决方案

2.1 组件微型化挑战

另外，为了将各种功能集成到智能隐形眼镜中，所有组件都需要被微型化。电源供应组件特别难以微型化，因为电池的能量密度有限，接收器的功率传输效率也有限，但仍需要提供足够的能量。通常情况下，电池可以通过有线连接或无线传输从外部电源供应能量来充电。虽然有线连接是最直接的方法，但通常很难在隐形眼镜上的小型软电极和外部探头之间建立良好的电连接。在流体介质中保持电连接的化学稳定性也可能会破坏直接连接。相反，无线电能传输可以在将隐形眼镜存放在其存储盒中时为电池充电。然而，接收线圈和控制单元将占用隐形眼镜中的大量空间。

---》解决方案

为解决这些挑战，来自生物燃料电池的电源可以在不需要外部电源的情况下为电池充电，电池和生物燃料电池被集成为隐形眼镜中的单独组件。理想情况下，电池和生物燃料电池将结合成一个单一的组件，以节省隐形眼镜中的空间，通过酶反应产生的充电溶液的产物可以充电阴极和阳极。由于选择性固定的酶可以实现无膜微型化，细胞配置则变得简化。团队以前的研究还表明，电池可以在水性生物燃料溶液中运行，从而允许电池与生物燃料电池结合。与直接在体液中运行的生物燃料电池不同，与生物燃料电池相结合的电池可以在充满高浓度生物燃料溶液的隐形眼镜盒中充电。更高的燃料浓度保证了来自酶的高催化活性的电池的高功率供应。然后，可以根据需要以高功率放电电池，不像不能存储能量的生物燃料电池。因此，与眼泪供电的个别生物燃料电池相比，将电池与生物燃料电池相结合可以提供更高的功率，因为眼泪中的生物燃料浓度较低。

2.2 实现 自充电的挑战

目前已有研究者开发自充电电池，但这些电池仅演示了阴极的自充电，而没有演示阳极的自充电。此外，由于电池的透气性系统包含高浓度的电解质盐，因此利用这种自充电机制可能对智能隐形眼镜来说很困难，因为它们无法实现对阴极或阳极的选择性诱导。

---》解决方案

因此，团队在上述提出的电池设计中发展了一种结合酶的电池设计，可以通过酶反应（即生物充电）充电，而无需外部电源供应。在阴极中使用了铜六氰合铁（CuHCFe），与葡萄糖氧化酶酶（GOx）组合在一起。CuHCFe被氧化（即充电），由GOx与充电溶液中的葡萄糖产生的过氧化氢（H2O2）完成。在阳极中使用了聚吡咯（PPy），它通过自还原能力在充电溶液中被还原（即充电）。阴极和阳极制备在多孔纸基底上，以增强电极的柔韧性和强度，电池嵌入到隐形眼镜中。隐形眼镜电池在基于葡萄糖的充电溶液中进行生物充电，以模拟隐形眼镜在夜间存储充电，然后在模拟隐形眼镜在白天使用的人工泪液溶液中进行放电。因此，这种方法也拟合了隐形眼镜的使用周期。

03、待改进问题

虽然在使用模拟眼泪溶液进行的测试中，研究团队展示了电池的使用寿命可以在每十二小时的使用周期中延长一小时。此外，电池也可以通过外部电源进行常规充电。但是，目前，该电池只能进行200次充放电循环 ，相比锂离子电池的300到500次寿命稍短。这是需要解决以实现长时间使用的约束。南洋理工大学的研究团队计划进行进一 步研究，以提高电池的放电能力。

04、期待未来

这项技术的 独特之处 在于 它利用了人体内的自然 资源 。 该电池完全依赖葡萄糖和水，这两者在人类使用时是安全的，并且在废弃时对环境友好。 通过利用这些资源，可以消除笨重的外部电源和电线连接的需求。

尽管由眼泪生成电池供电的智能隐形眼镜尚未准备好广泛应用，但研究人员 计划与多家隐形眼镜公司合作，将这一创新技术推向市场。该技术已通过南洋理工大学创新中心（NTUitive）申请了专利。

PS：今天小编很兴奋码了这篇来自母校的创新技术稿。

打赏