植入式醫(yī)療電子設(shè)備可以為各種慢性疾病提供精確的診斷和治療方案，作為核心部件的可植入能源存儲設(shè)備的長期穩(wěn)定和安全性關(guān)系著這些醫(yī)療電子設(shè)備的壽命。因此開發(fā)適用于可植入醫(yī)療電子設(shè)備的新一代電池或超級電容器尤為重要。一體化的構(gòu)筑方案極大的保證了儲能器件的高安全性和長期穩(wěn)定性。電極和隔膜/電解質(zhì)宏觀界面的消除不僅提升了儲能器件的電化學性能并且降低了儲能器件與其他治療和通訊部件的集成難度，為植入式醫(yī)療電子設(shè)備的高速發(fā)展提供助力。與此同時，一體化器件中電極和隔膜的微觀孔道結(jié)構(gòu)對提升器件整體的電化學性能十分重要，如何有效調(diào)控可植入儲能器件的微觀結(jié)構(gòu)是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。對于利用相轉(zhuǎn)化法制備的一體化膜器件來說，可以通過調(diào)控相分離過程中的關(guān)鍵動力學和熱力學參數(shù)實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。通過聚合物溶液中的Flory-Huggins理論可知，對于一個聚合物-溶劑-非溶劑組成的三元體系，通過簡單的調(diào)節(jié)溶劑和非溶劑的漢森溶度參數(shù)便可有效調(diào)節(jié)三元相互作用參數(shù)，三元相互作用參數(shù)和溶劑-非溶劑之間的擴散系數(shù)直接決定通過相分離制備的一體化儲能器件的微觀結(jié)構(gòu)。
因此，選擇具有不同漢森溶度參數(shù)的三種非溶劑，利用其相對于溶劑的不同擴散系數(shù)和相互作用參數(shù)實現(xiàn)了對一體化膜超級電容器微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。結(jié)果表明，當溶劑從低相容性的水過渡到具有較高相容性的乙二醇時，一體化器件的微觀結(jié)構(gòu)由貫穿整個器件的指狀孔轉(zhuǎn)變?yōu)槿＞d孔結(jié)構(gòu)，微觀孔道結(jié)構(gòu)的調(diào)控直接導致器件電化學性能的改變。此外，聚醚砜優(yōu)異的生物相容性、抗凝血性能和機械性能為超級電容器提供了極好的安全性和穩(wěn)定性。該工作以“Precise Controlling Microstructure of All-in-one Hybrid Membrane Achieved via Hansen Solubility Parameters After Introducing Non-solvent Component Toward Implantable Energy Storage Device”為題發(fā)表在“Macromolecules”上。文章第一作者為蘭州理工大學尉梅梅博士，通訊作者是冉奮教授。
1. 通過聚合物-溶劑-非溶劑三元體系中非溶劑的漢森溶度選擇可以實現(xiàn)一體化超級電容器微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控
2. 研究了不同溶劑-非溶劑對三元體系動力學和熱力學參數(shù)的影響
3. 器件在植入生物體內(nèi)之后展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能和生物相容性
圖1 a)一體化膜超級電容器的制備過程示意圖，b)聚合物-溶劑-非溶劑體系的三元相圖，c)相分離中瞬時/延時分相機理，d)溶劑與非溶劑間傳質(zhì)對相分離的影響。
圖2 a-c)H2O/DMAc/PES三元體系、d-f)EG/DMAc/PES三元體系和g-i)EtOH/DMAc/PES三元體系制備的超級電容器的SEM橫截面圖，j)H2O/DMAc/PES三元體系制備的可植入超級電容器表面形貌的SEM圖像，k)EG/DMAc/PES三元體系制備的可植入超級電容器表面SEM圖像，l)EtOH/DMAc/PES三元體系制備的可植入超級電容器表面SEM圖像；m)、n)光學顯微鏡圖像，o)、p)可植入一體化超級電容器的EDS圖。
圖3 a)、b)不同非溶劑體系的植入式一體化超級電容器體外GCD曲線，c)在不同電流密度下的比電容，d)在體外測試的長期循環(huán)，e)串并聯(lián)下的CV曲線，插圖是LED的數(shù)碼照片，f)不同彎曲時間下的CV曲線，g)和h)在體內(nèi)測試的CV曲線和GCD曲線，i)體內(nèi)測試的比電容，插圖是LED的數(shù)碼照片，j)在血液中的長期循環(huán)（插圖顯示了循環(huán)過程中的GCD曲線）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c01201
冉奮教授課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/ran
