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与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一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。
7.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。
8.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。
9.所述的灌流系统中微流道尺寸为50μm
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500μm，凝胶电池颗粒的尺寸大小为0.5mm
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10mm，相邻凝胶电池颗粒的间距为凝胶颗粒直径的1/5～9/10。
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：
11.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；
12.设计阴阳离子选择性凝胶电池灌流系统用于制造同一基底上的阴离子选择性凝胶颗粒和阳离子选择性凝胶颗粒；设计高低盐凝胶电池灌流系统用于制造同一基底上的高浓度盐凝胶颗粒和低浓度盐凝胶颗粒，其中，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；
13.步骤02：对含微流道和凝胶电池微孔结构的柔性上盖片进行预处理；
14.步骤03：将预处理后的离子凝胶电池灌流系统进行组装，将包含微流道和凝胶电池颗粒的柔性上盖片与柔性基底按由上到下的顺序贴合组装；
15.步骤04：利用组合的两套凝胶电池灌流系统，通过注射泵设置流速将不同流体按照预设的微流道灌注进设计的灌流系统中；
16.步骤05：根据离子凝胶电池结构设计掩模版，将掩模版与灌流结束的凝胶电池系统组合后置于预设环境中进行固化；
17.步骤06：将固化后的离子凝胶电池脱模后，按顺序进行组装；
18.步骤07：将组装的离子凝胶电池置于柔性封装系统中利用柔性封装技术进行封装，实现柔性离子凝胶电池高通量制造。
19.所述的步骤01中灌流系统的微流道采用3d打印的模具，利用硅胶翻模制作而成。
20.所述的步骤02中预处理方法为等离子亲水处理、表面活性剂处理或脱模剂处理方式。
21.所述的步骤05中的掩模版的材质为菲林、金属板或遮光板等。
22.本发明与现有技术对比的有益效果是：
23.1.本发明的灌流系统具有装置简单、可操作性强的特点，相比使用3d打印设备，该灌流系统不仅制造成本低且操作简单，且可重复利用。
24.2.本发明基于微流控的灌流方法相比于微纳3d打印技术，耗时更短，能够避免在打印过程中由于耗时过长造成凝胶颗粒失水而大小不一的问题，提高大规模制造效率，实现高通量制造。
25.3.本发明多材料灌流方法不仅可用于制造柔性离子凝胶电池，还可应用于其他需多材料制备的系统，可以有效提高平面点阵结构的制造效率，解决3d打印技术耗时较长等问题。
附图说明
26.图1为本发明方法的流程图。
27.图2为本发明高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池片灌流系统中含微流道和电池颗粒结构柔性上盖片的结构示意图。
28.图3为本发明阴离子选择性凝胶和阳离子选择性凝胶电池片灌流系统含微流道和凝胶电池微孔结构的柔性上盖片示意图。
29.图4为高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池片灌流系统的结构示意图。
30.图5为阴离子选择性和阳离子选择性凝胶电池片灌流系统结构示意图。
31.图6为阴离子选择性和阳离子选择性凝胶电池片掩模版的结构设计图。
32.图7为本发明包含高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池的电池片结构示意图。
33.图8为本发明包含阴离子选择性凝胶和阳离子选择性凝胶电池的电池片结构示意图。
34.图9为本发明离子凝胶电池按高浓度盐凝胶
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阳离子选择性凝胶
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低浓度盐凝胶
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阴离子选择性凝胶的顺序组装的截面结构示意图。
35.图10为本发明凝胶电池灌流结果、采用掩模版进行固化、脱模的制造过程示意图。
36.图11为本发明实施例柔性离子凝胶电池的电压测试。
具体实施方式
37.下面结合实施例及附图对本发明的制造方法进行清楚完整的描述。
38.参照图1，一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：
39.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柔性上盖片；
40.具体的，根据离子凝胶电池产生电势差的原理，柔性离子凝胶电池由高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池片构成，或由阳离子选择性凝胶和阴离子选择性凝胶电池片构成；因此分别设计阴阳离子选择性凝胶电池灌流系统或高低浓度盐凝胶电池灌流系统，其中，同种凝胶电池材料微孔通过微流道系统连通；
41.含高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶微流道和电池颗粒设计的柔性上盖片的微流道设计如图2所示，其中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分布，高浓度盐凝胶电池溶液从第一微流道入口1处注入灌流系统，由第一微流道出口3流出；低浓度盐凝胶电池溶液从第二微流道入口2处注入灌流系统，由第二微流道出口4处流出；高低浓度盐凝胶电池材料优选为氯化锂、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；
42.阳离子选择性凝胶和阴离子选择性凝胶电池片中含微流道和电池颗粒设计的柔性上盖片的微流道设计如图3所示，其中阳离子选择性凝胶电池溶液从第三微流道入口5处注入灌流系统，由第三微流道出口7流出；阴离子选择性凝胶电池溶液从第四微流道入口6处注入灌流系统，由第四微流道出口8处流出；
43.所述的柔性上盖片为pdms或pva等；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1/5～9/1；
44.所述的灌流微流道采用3d打印的模具，利用硅胶翻模制作而成；
45.步骤02：对含微流道和凝胶电池微孔结构的柔性上盖片进行预处理，其中预处理
方法包括等离子亲水处理、表面活性剂处理、脱模剂处理等方式；
46.步骤03：将预处理后的凝胶电池灌流系统进行组装，将包含微流道和凝胶电池颗粒的柔性上盖片与柔性基底按由上到下的顺序贴合组装；柔性基底为pvc、胶带、铜箔或琼脂糖等；
47.参照图4，图4为组装的高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池片灌流系统的结构示意图，包含微流道和凝胶电池颗粒的第一柔性上盖片9贴合在第一柔性基底10上；
48.参照图5，图5为组装的阴离子选择性凝胶和阳离子选择性凝胶电池片灌流系统结构示意图，含微流道和凝胶电池微孔结构的第二柔性上盖片11贴合在第二柔性基底12上；
49.步骤04：利用组合的两套凝胶电池灌流系统，通过注射泵设置合适的流速将不同流体按照预设的微流道灌注进设计的灌流系统中；灌流时，凝胶电池溶液的流动方向如图2和图3中箭头方向所示；
50.步骤05：根据凝胶电池结构设计掩模版，掩模版的材质为菲林、金属板或遮光板等，将掩模版与灌流结束的凝胶电池系统组合后置于预设环境中进行固化，如图6所示，图6为阴离子选择性凝胶和阳离子选择性凝胶电池片掩模版的结构设计图，其中流道区域被遮挡，凝胶电池微孔结构未遮挡；
51.步骤06：将固化后的离子凝胶电池分别脱模后，如图7所示，得到包含高浓度盐凝胶和低浓度盐凝胶电池的电池片，低浓度盐凝胶颗粒13和高浓度盐凝胶颗粒14在水平方向间隔排列，在竖直方向相邻分布；如图8所示，得到包含阴离子选择性凝胶和阳离子选择性凝胶电池的电池片，阳离子选择性凝胶颗粒15和阴离子选择性凝胶颗粒16水平及竖直方向上间隔排列；如图9所示，将离子凝胶电池按高浓度盐凝胶
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阳离子选择性凝胶
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低浓度盐凝胶
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阴离子选择性凝胶的顺序组装；
52.步骤07：将组装的离子凝胶电池置于柔性封装系统中利用柔性封装技术进行封装，实现柔性凝胶电池高通量制造。
53.通过实验验证了本发明提出的基于微流控的柔性离子凝胶电池的高通量制造方法，基于设计的柔性灌流系统，对柔性上盖片进行预处理后，使用多通道注射泵对灌流系统进行灌注，如图10所示，图10为灌流完成的凝胶电池灌流系统、使用掩模版贴合凝胶灌流系统、固化后脱模的凝胶电池片；研究表明采用本发明提出的基于微流控的柔性凝胶电池的高通量制造方法能够在70～90s内高效制造800个凝胶电池颗粒；通过设计掩模版，将掩模版贴合在灌流完成的灌流系统表面，实现离子凝胶电池颗粒的选择性固化，脱模后制造出两片柔性离子凝胶电池片；
54.如图11所示，图11为采用本发明方法提出的柔性封装技术进行封装后的柔性离子凝胶电池的电压测试图。将利用本发明提出的基于微流控的柔性离子凝胶电池的高通量制造方法制造的凝胶电池片利用柔性封装技术封装后，通过高精度数字万用表测试发现实现9.77v电压输出。