昆士兰科技大学孙子其课题组：仿生材料用于能源存储

【研究背景】

大自然提供给我们各种有趣的结构和特异的功能。受各种自然物种和自然现象的启发，仿生材料在储能应用中受到了广泛关注。人们设计了多种储能器件，例如可充电电池和超级电容器。与传统形式的能源设备相比，仿生设计赋予新能源组件（电极和电解质）优异的物理、化学和机械性能。对于能源相关的应用，仿生材料只要具备以下几个独特的优势。首先，许多自然生物具有能量收集、转换和储存的能力，并为能源材料的发展和装置的设计提供了直接灵感，例如绿色植物的光合作用用于产氧和糖转化。受自然能量转换路线的启发，许多人工的能量转换和存储设备已经被设计以支持社会的可持续发展。其次，在自然界中可以找到各种能源来源，例如太阳能、风能、潮汐能、波浪能和生物质能。大自然已经进化出许多直接利用这种自然能源的方法，这为我们提供了许多潜在的再利用方法，通过使用仿生材料和仿生结构来解决当前的能源危机。第三，众所周知，自然物种的一个关键特征是功能的高度集成，虽然仅使用非常基本的基元材料。通过将基本性能需求与各种智能功能相结合，如自愈特性、自清洁特性、自刺激响应特性等与受生物启发的能量相结合，以实现高度集成的智能人工储能设备。第四，当前高性能储能器件的开发还存在诸多挑战和问题。然而，我们可以从自然界中寻找一些解决方案。其中一个典型的例子就是细胞膜内的超快离子传输行为，它启发了仿生人工离子传输通道和传感器的设计。这种离子传输行为与能量存储装置（例如可充电电池）的电极和电解质内的离子扩散现象非常相似。通过探索生物细胞中的离子传输原理，可以在电池内实现快速离子传输。

【工作介绍】

近日，澳大利亚昆士兰科技大学孙子其课题组在这篇综述中，首先讨论仿生材料的设计原则，从仿生结构（一维，二维，三维等）、仿生合成（化学合成，3D打印，电纺等）、仿生功能化（液体定向传输，机械增强，功能离子传输通道，超浸润表面，响应性行为等）最后到仿生集成（信号感知，传递，转化，可视化等）。然后，简要总结了用于储能装置的仿生材料的最新进展，特别是可充电电池和超级电容器。这些装置结构、电极和电解质的仿生设计带来了优异的电化学性能。最后，作者总结了当前的主要挑战，并提出未来研究的几个重点，为未来研究提供一些见解。该文章发表在国际著名期刊Small Methods上。梅俊博士（现为昆士兰科技大学Lecturer）为第一作者，孙子其教授为通讯作者。

【文图赏析】

Figure 1. Morphological and structural features of natural species and bioinspired materials.

Figure 2. Bioinspired synthetic strategies for functional materials.

Figure 3. Bioinspired functionalization for versatile applications.

Figure 4. Biological and bioinspired integrated systems for multi-functions.

Figure 5. Bioinspired configurations and model demonstrations for batteries.

Figure 6. Bioinspired electrodes for advanced batteries.

Figure 7. Bioinspired electrolytes for batteries.

Figure 8. Bioinspired electrode and electrolytes for supercapacitors.

Figure 9. Schematic illustration of a brief summary on bioinspired materials for energy storage systems.

J. Mei, T. Liao, H. Peng, Z. Sun*, Bioinspired materials for energy storage. Small Methods., 2021, 2101076. DOI:10.1002/smtd.202101076

https://doi.org/10.1002/smtd.202101076