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  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(chǔ)設(shè)備的長(zhǎng)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(kāi)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(jí)電容器尤為重要。一體化的構(gòu)筑方案極大的保證了儲(chǔ)能器件的高安全性和長(zhǎng)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(chǔ)能器件的電化學(xué)性能并且降低了儲(chǔ)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(shí)，一體化器件中電極和隔膜的微觀孔道結(jié)構(gòu)對(duì)提升器件整體的電化學(xué)性能十分重要，如何有效調(diào)控可植入儲(chǔ)能器件的微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。對(duì)于利用相轉(zhuǎn)化法制備的一體化膜器件來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)控相分離過(guò)程中的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。通過(guò)聚合物溶液中的Flory-Huggins理論可知，對(duì)于一個(gè)聚合物-溶劑-非溶劑組成的三元體系，通過(guò)簡(jiǎn)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(kuò)散系數(shù)直接決定通過(guò)相分離制備的一體化儲(chǔ)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(duì)于溶劑的不同擴(kuò)散系數(shù)和相互作用參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一體化膜超級(jí)電容器微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。結(jié)果表明，當(dāng)溶劑從低相容性的水過(guò)渡到具有較高相容性的乙二醇時(shí)，一體化器件的微觀結(jié)構(gòu)由貫穿整個(gè)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(dǎo)致器件電化學(xué)性能的改變。此外，聚醚砜?jī)?yōu)異的生物相容性、抗凝血性能和機(jī)械性能為超級(jí)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(xué)尉梅梅博士，通訊作者是冉奮教授。

  1. 通過(guò)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(shí)現(xiàn)一體化超級(jí)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(duì)三元體系動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)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(xué)性能和生物相容性

圖1 a)一體化膜超級(jí)電容器的制備過(guò)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(shí)/延時(shí)分相機(jī)理，d)溶劑與非溶劑間傳質(zhì)對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)電容器表面SEM圖像，l)EtOH/DMAc/PES三元體系制備的可植入超級(jí)電容器表面SEM圖像；m)、n)光學(xué)顯微鏡圖像，o)、p)可植入一體化超級(jí)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(jí)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(cè)試的長(zhǎng)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(shí)間下的CV曲線，g)和h)在體內(nèi)測(cè)試的CV曲線和GCD曲線，i)體內(nèi)測(cè)試的比電容，插圖是LED的數(shù)碼照片，j)在血液中的長(zhǎng)期循環(huán)（插圖顯示了循環(huán)過(guò)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(yè)：https://www.x-mol.com/groups/ran