个人简介:
部分论文:
1. Ye, T.; Li, L.; Zhang, Y.* “Recent Progress in Solid Electrolytes for Energy Storage Devices,Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000077.
2. Li, L.; Wang, L.; Ye, T.; Peng, H.*; Zhang, Y.* “Stretchable energy storage devices based on carbon materials”, Small 2021, 2005015.
3. Ye, L.; Liao, M.; Sun, H.; Yang, Y.; Tang, C.; Zhao, Y.; Wang, L.; Xu Y.; Zhang, L.; Wang, B.; Xu, F.; Sun, X.; Zhang, Y.*; Dai, H.; Bruce, P.; Peng, H.* “Stabilizing lithium into cross-stacked nanotube sheets with ultra-high specific capacity for lithium oxygen battery”, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58,2437.
4. Xu, X.; Xie, S.; Zhang, Y.; Peng, H.* “The rise of fiber electronic”, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 13778-13788.
5. Zhang, Y.*; Ding, J.; Qi, B.; Tao, W.; Wang, J.; Shi, J.* “Multifunctional Fibers to Shape the Future Biomedical Device”, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902834.
6. Zhao, Y.; Cao, J.; Zhang, Y.; Peng, H.* “Gradually Crosslinking Carbon Nanotube Array in Mimicking the Beak of Giant Squid for Compression-Sensing Supercapacitor”, Adv. Funct. Mater. 2019, 58, 1902971.
7. Wang, L.; Wang, L.; Zhang, Y.; Pan, J.; Li, S.; Sun, X.; Peng, H.* “Weaving sensing fibers into electrochemical fabric for real‐time health monitoring”, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804456.
8. Sun, H.†; Zhang, Y.†; Zhang, J.; Sun, X.*; Peng, H.* “Energy harvesting and storage in 1D devices”, Nature Rev. Mater. 2017, 2, 17023.
9. Zhang, Y.; Jiao, Y.; Lu, L.; Wang, L.; Chen, T.; Peng, H.* “An ultra-flexible silicon-oxygen battery fiber with high energy density, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 13929-13746.
10. Zhang, Y.; Wang, L.; Guo, Z.; Xu, Y.; Wang, Y.; Peng, H.* “High-performance lithium-air battery with a coaxial-fiber architecture”, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4487-4491.
11. Zhang, Y.; Zhao, Y.; Ren, J; Weng, W.*; Peng, H.* “Advances in wearable fiber-shaped lithium-ion batteries”, Adv. Mater. 2016, 28, 4524-4531.
12. Zhao, Y.; Zhang, Y.; Sun, H.; Dong, X.; Cao, J.; Wang, L.; Xu, Y.; Ren, J.; Hwang, Y.; Son, I. H.; Huang, X.; Wang, Y.*; Peng, H.* “A self-healing aqueous lithium-ion battery”, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14382-14386.
13. Zhang, Y.; Wang, Y.; Wang, L.; Lo, C.; Zhao, Y.; Jiao, Y.; Zheng, G.; Peng, H. “Fiber-shaped aqueous lithium ion battery with high power density”, J. Mater. Chem. A 2016, 4, 9002-9008.
14. Zhang, Y.; Zhao, Y.; Cheng, X.; Weng, W.; Ren, J.; Fang, X.; Jiang, Y.; Chen, P.; Zhang, Z.; Wang, Y.; Peng, H.* “Realizing both high energy and power densities by twisting three carbon nanotube-based hybrid fibers”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11177–11182.
15. Deng, J.†; Zhang, Y.†; Zhao, Y.; Chen, P.; Cheng, X.; Peng, H.* “A shape-memory supercapacitor fiber”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15419-15423.
16. Xu, Y.; Zhang, Y.; Guo, Z.; Ren, J.; Wang, Y.*; Peng, H.* “Flexible, stretchable and rechargeable fiber-shaped zinc-air battery based on cross-stacked carbon nanotube sheets”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 15390-15394.
17. Weng, W.; Sun, Q.; Zhang, Y.; He, S.; Wu, Q.; Deng, J.; Peng, H.* “A gum‐like lithium‐ion battery based on a novel arched structure”, Adv. Mater. 2015, 27, 1363-1369.
18. Ren, J.†;Zhang, Y.†; Bai, W.; Chen, X.; Zhang, Z.; Fang, X.; Weng, W.; Wang, Y.*; Peng, H.*, “Elastic and wearable wire-shaped lithium-ion battery with high electrochemical performance”, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7864-7869.
19. Zhang, Y.; Bai, W.; Ren, J.; Weng, W.; Lin, H.; Zhang, Z.; Peng, H. “Super-stretchy lithium-ion battery based on carbon nanotube fiber”, J. Mater. Chem. A. 2014, 2, 11054–11059.
20. Zhang, Y.; Bai, W.; Cheng, X.; Ren, J.; Weng, W.; Chen, P.; Peng, H.* “Flexible and stretchable lithium-ion batteries and supercapacitors based on electrically conducting carbon nanotube fiber springs, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14564-14568.
科研奖励
2019年,国际纯粹与应用化学联合会国际青年化学家奖
(IUPAC-SOLVAY International Award for Young Chemists);
2018年,日内瓦国际发明金奖;
2018年,CPCIF-Clariant可持续发展青年创新奖卓越奖;
2017年,美国材料研究学会优秀博士生金奖
(Graduate Student Gold Award from Materials Research Society);
2017年,陶氏化学可持续发展创新奖特等奖;
线粒体具有独特的双层膜结构,能够高效利用体液中氧气源源不断地产生能量。其中内膜具有较低的渗透性,将能量转化区域与细胞内环境隔离;而外膜具有较高的渗透性,确保氧气等物质的传递,并且与细胞内环境具有良好的生物相容性。这一特性为我们设计具有优异环境适应能力的高性能电池提供了启示。本工作通过模仿线粒体结构,设计了一种具有双层膜结构的高性能镁氧气电池,结构如图1所示,内膜通过原位包覆的方法制备疏水聚合物网络聚醋酸乙烯酯,实现离子传输的同时,限制水的渗透,进而减少镁负极的腐蚀和钝化,提高镁负极利用率,实现高能量密度。外膜通过接枝聚合的方法,构建两性离子磷脂分子层,获得高的氧气渗透性,确保正极持续稳定反应,同时限制离子扩散,实现良好的生物安全性。
为了评估镁氧气生物电池在体内的电化学性能,研究人员将其植入小鼠体内,包括腹腔、皮下、肌肉和大脑。研究发现该电池能够适应体内不同的组织环境进行稳定放电,其体内能量密度最高能够达到2517 Wh·L–1或1491 Wh·kg–1(基于电池的总体积或总质量计算),是当前报道的最高水平的2.5倍。在此基础上,该电池的体积可以缩小至0.015 mm3,并且在放大至400倍时,其能量密度有效保持。
此外,该工作详细研究了镁氧气生物电池的生物安全性。通过双层膜的设计,实验组血清中的镁离子浓度变化与未植入电池的空白对照组无统计学差异。此外,采用多种与缺氧相关的生化指标,包括乳酸脱氢酶(LDH),超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA),评估了氧气的消耗情况。结果表明实验组与对照组相比没有统计学差异。其次,通过组织学研究的方法,评估了镁氧气电池植入部位周围组织的炎症反应情况。结果显示小鼠植入部位周围组织与对照组相似。这些结果表明,镁氧气电池植入后,与组织之间形成良好界面,具有较好的生物相容性,没有引起异常或慢性免疫反应,具有较好的生物安全性。
研究人员发现得益于镁氧气电池的高能量密度和生物安全的优势,镁氧气生物电池可以与医疗器件进行高度集成,实现微型化。例如,镁氧气电池可以与脑部刺激器高度集成,具有足够小的体积,置于颅内进行原位电刺激,排除导线引起的感染和由导线断裂引起的设备故障风险。此外,由于体积小且重量轻,镁氧气生物电池与聚丙烯酰胺水凝胶应变传感器集成后可以直接黏附在胃表面,以监测胃蠕动。
该工作提出了一种受线粒体启发的体内高性能镁氧气电池,通过创新设计高分子双层膜结构,使得该电池能够与生物体环境高度适应,在体内展示了较高的体积能量密度,最高达到了2517 Wh·L–1(基于电池的总体积计算)。受线粒体启发的镁氧气生物电池,有望在高性能植入能源器件方向拓展出一个新方向。
论文信息
南京大学现代工程与应用科学学院博士生何儿和硕士生任俊烨为论文共同第一作者,南京大学现代工程与应用科学学院张晔副教授为论文通讯作者,南京大学是该论文的第一单位。研究工作受到国家科技部重点研发计划,国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省 “双创团队”项目等基金的支持。相关研究以“Mitochondrion-inspired magnesium-oxygen biobattery with high energy density in vivo”为题发表在Advanced Materials上。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304141