【摘 要】
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近年来,基于微流控芯片的即时检测设备（Point-of-care test,POCT）有着成本低廉、操作简便、灵敏性高等优势,在生物医学领域显示出了良好的发展前景,而驱动其正常运行的微型电源研发就成了关键的问题。目前市场上最常见的微型电源是锂离子电池,虽然其能够稳定供电,但锂离子电池存在理论能量密度低、电解质不环保、锂金属需要专业复杂的后续处理等不足。为了替代锂离子电池或与锂离子电池组合使用,研究
【基金项目】
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国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目（No.51620105011）; 国家自然科学基金面上项目（No.51776026）; 国家自然科学基金面上项目（No.51925601）
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近年来,基于微流控芯片的即时检测设备（Point-of-care test,POCT）有着成本低廉、操作简便、灵敏性高等优势,在生物医学领域显示出了良好的发展前景,而驱动其正常运行的微型电源研发就成了关键的问题。目前市场上最常见的微型电源是锂离子电池,虽然其能够稳定供电,但锂离子电池存在理论能量密度低、电解质不环保、锂金属需要专业复杂的后续处理等不足。为了替代锂离子电池或与锂离子电池组合使用,研究开发一种能量密度高、成本低廉、环境友好的微型电源就成为了国内外研究热点。本文从构建一种具有高能量密度、环境友好的微型电源的角度出发,通过强化电池内部物质传输以提高电池性能。本文通过耦合锌-空气电池反应原理以及微流体燃料电池电池结构,采用锌单质以取代传统微型燃料电池阳极,同时改善了锌-空气电池中存在的放电钝化以及传统微型燃料电池中高电流密度下阳极侧燃料传输受限的缺陷,有效提升了电池输出性能。为使锌-空气电池成为一种更适合于驱动POCT设备的微型电源,本论文提出了一种低成本纸基锌-空气电池,使得电池加工、运行更简单,同时更有利于系统集成;创新型地采用中空通道结构改善纸基电池阴极浸润性,有效提升电池输出性能。本文强化电池内多元反应物传输出发,从电极结构和电池结构两方面依次构建了基于平面阳极的微流体锌-空气燃料电池、基于多孔锌阳极的微流体锌-空气燃料电池、具有中空通道的纸基锌-空气电池,重点研究了电解液浓度、电解液流速、电解液流动方式等对电极和电池性能特性的影响,本文的主要研究成果如下:1构建了基于平面阳极的微流体锌-空气燃料电池,通过采用锌箔阳极取代传统微流体燃料电池阳极,改善阳极电解质传输特性,通过电解液流动缓解锌阳极钝化。当电解液浓度为6M,流速为1200μL/min时,电池峰值功率密度达到194m W/cm~2,电池在100 m A/cm~2电流密度下放电寿命达4926秒,锌放电利用率高达90%。2采用了多孔电极泡沫锌为阳极增大电化学活性面积,减小传质阻力,降低电池欧姆内阻,使得基于多孔锌阳极的微流体锌-空气燃料电池电池峰值功率密度达到266 m W/cm~2,电池在100 m A/cm~2电流密度下放电寿命达5078秒,高于同类型微型电源装置。3构建了一种具有中空通道结构的纸基锌-空气电池,研究发现中空通道结构有效提升阴极电化学活性面积,提升阴极反应动力学进而提升电池性能。两极侧中空通道纸基锌-空气电池峰值功率密度达102 m W/cm~2,对比传统结构的纸基锌-空气电池峰值功率密度提升100%
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