研究背景

未来的可穿戴和可打印电子产品要求可扩展生产可提供绿色电能的电源。离子梯度的化学势能在自然界中无处不在，并且是许多生物物种的基础。但是，安全，一次性和具有成本效益的电源仍然是一个挑战。

北京大学石墨烯研究所DiWei课题组通过使用石墨烯材料开发了一种全固态电源，可以将其直接印刷在诸如纸的绝缘基板上。电源的设计受到电鳗的启发，通过在水分存在的情况下将离子梯度的化学势能转换为电能来产生可编程的电压和电流。在环境条件下，实现了V的超高电压，并在纸带上串联了个电池。对于平面电池，数学分形设计概念被用作印刷图案，与锂薄膜电池相比，输出功率密度提高到2.5mWcm-3。还通过采用折纸策略实现了可折叠的三维（3D）电池，展示了提供绿色电能的通用设计。与典型的电池不同，此电源印在柔性纸质基材上，不需要液体电解质，有害成分或复杂的制造工艺，并且高度可定制，可满足可穿戴电子设备和物联网应用的需求。

图1：鳗鱼电细胞和启用湿气的电源的结构示意图。

视频1：印刷制备。

图2：电池的电化学性能。（A）电池在周围环境（25°C相对湿度10％）中的开路电压。（B）在25°CRH70％时在0.1μA时的恒电流放电性能。

图3：表征放电过程中材料的演变：拉曼，电感耦合等离子体和X射线衍射表征。

视频2：应用演示。

图4：带有金集电器和银电极的电池的电化学测试以及拟议的工作机制。

图5：具有优化参数的喷墨打印电池结构和电池性能的示意图。

图6：应用演示。（A）串联印刷电池的照片。一百七十五个电池被印刷在一块柔性纸质基材上，在环境条件下显示出V的超高开路电压。（B）空间分成填充有印刷的GO和rGO油墨的两个区域，打印单元的输出性能。（D）可折叠设计。（E）串联连接的可折叠电池的开路电压。

作者通过印刷技术报告了一种基于石墨烯油墨的水分驱动型生物启发和全固态绿色电源。机理研究表明，在水分子存在下，离子梯度的化学势能通过阳离子传输和氧化还原反应转化为电能。该电源可在环境条件下将开路电压维持在1.2V，并可实现μA的短路电流和高达2.5mWcm-3的功率密度。通过采用可折叠折纸设计，单元结构可以通过一次动作从2D转换为3D，从而扩展了印刷电子产品的潜在应用范围。这项工作是跨学科研究的一个例子，它受到鳗鱼生物学现象的启发，通过GO材料的独特性能实现，并通过数学分形细胞模式和折纸折叠方法进行了优化。