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调控纳米限域空间双电层开创离子电子学界面研究新范式
调控纳米限域空间双电层开创离子电子学界面研究新范式
| 成果信息 |
| 项目年度编号： |
2500100103 |
| 限制使用： |
国内 |
| 省市： |
北京 |
| 中图分类号： |
TB383 |
| 成果类别： |
应用技术 |
| 成果公布年份： |
2025 |
| 关键词： |
纳米材料仿生设计
电子学储能器件
离子电子学
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| 成果简介： |
在人类探索能源与信息传输新途径的征程中，如何实现高效、环保、可持续的能量转换和信息处理一直是一项重大挑战。界面载流子调控为高效能量转换和信息传输提供了革命性解决方案，是未来科学技术发展的关键基础之一。自然界的动植物在亿万年的进化中拥有了精巧的能量-信息传递系统，正是受其启发，人们可通过纳米材料仿生设计和多物理场耦合调控，使离子载流子在纳米限域空间模拟自然界高效的能量与信息流，这一方法学突破将为高能效电子器件、新一代储能及类脑计算等前沿领域提供颠覆性解决方案。受控电荷流既提供了能源(Energy)与信息(Information)的载流子，也是反应动力学的探针(Probe)。近5年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队通过对纳米限域空间双电层(EDL)的调控，实现了受控离子电荷流，在能源、信息以及反应动力学探针等方向取得了一系列原创性研究成果。
1.主要研究成果：通过纳米尺度双电层结构的调控，团队实现了受控离子电荷流(兼具能源、信息与反应探针三重功能)，为高效能量转换、低功耗离子电子学逻辑控制及界面催化机制研究提供了新范式。
1.1突破渗透能能量瓶颈。渗透能是利用海水和河水盐差的绿色能源，非常环保，但是渗透膜的离子选择性和传导性一直是限制其效率的瓶颈。同时，渗透能高度依赖液相环境，这一固有特性严重限制了其在移动电子器件(如可穿戴设备、无人机电源等)中的直接应用，难以满足高能量密度需求。通过精确调控纳米限域空间的几何尺寸，使其与双电层德拜长度形成最优匹配，最终实现了选择性离子定向传导，突破了困扰传统渗透能多年的瓶颈。通过分子动力学(MD)模拟优化二维纳米流体通道中的选择性离子传输，结合电极界面限域氧化还原反应设计，创新性地采用超声喷涂技术在亚微米级聚合物薄膜侧壁边缘存储盐差能，成功开发出具有突破性性能的垂直结构离子电子学储能器件。该器件输出功率密度达到159.00W·m<sup>-2</sup>，体能量密度为9.46W·h·cm<sup>-3</sup>，高于常规的锂薄膜电池，并具备以下显著优势：①全打印超薄(10μm)结构适用于便携式设备，已成功应用于血糖监测隐形眼镜；②利用二维纳米流体通道内选择性离子动力学增强特性实现湿度驱动，不再依赖液相环境；③通过自愈型离子液体凝胶技术，使器件具备插拔自组装能力和-40℃的低温工作性能。这一研究为渗透能在移动电子设备中的实用化提供了创新解决方案。
1.2创新信息与自驱动传感系统。团队提出摩擦离子电子学(Triboiontronics)概念，利用摩擦电场诱导双电层内界面离子电荷极化，通过摩擦电场动态控制双电层紧密层及扩散层的离子电荷极性和大小，实现信息的存储与传输。通过接触起电方式构建的双向电场，可动态调控双电层内的离子电荷分布，将接触起电过程中的物理接触信息存储为扩散层中的离子电荷极性信息，最终转换为对应的电子学信息。该技术可用于构建仿生神经回路和创新人机交互接口，实现无外接电源的神经拟态离子逻辑控制以及高保真水下信息传输。通过固-液接触起电诱导的带电去离子水雾调节绝缘体表面的纳米限域扩散层内的离子电荷密度，团队开发了直流摩擦离子电子学纳米发电机(DC-TING)。基于原位离子电荷补充策略，DC-TING可以产生高效的离子-电子耦合直流输出，在0.10Hz的低运行频率下，达到了126.40W·m<sup>-2</sup>的高峰值功率密度。结合纳米材料阵列增强驻极表界面电荷，团队还提出了远程感知(Tele-perception)概念，利用人工智能算法在3m内精准识别物体形状和种类，为低能耗类脑计算与自驱动感知奠定基础。
1.3反应动力学探针。团队开展接触电致化学(CE-Chemistry)前沿研究，利用摩擦电荷调控双电层紧密层界面电子转移，实现液相自由基可控生成，并建立物理摩擦起电序列与电化学标准电对的定量关系。团队开创性地利用摩擦电荷驱动化学荧光、高分子聚合及氧化还原反应，在水系/非水体系中建立了泛化学反应新范式，相关成果促成与斯坦福大学教授、美国国家科学院Richard Zare院士的合作研究。
2.项目落地和推广应用情况：团队矢志做“既能上书架又能上货架”的科研，落实“基础研究+工程应用”的定位，从实际问题和需求出发，与宝泰隆新材料股份有限公司、复星集团等企业，以及北京积水潭医院、北京大学口腔医院等医院开展横向项目合作，致力于推动成果在各领域的应用。截至2025年6月，团队申请含PCT国际专利在内的专利200余件。基于零维纳米角、一维纳米管及二维石墨烯构建的多维纳米结构体系，团队通过调控固-液界面双电层与钝化膜(Nano-structured lithium-sulfur battery and method of making same，EP2489088B1等)，开发出兼具高功率/能量密度的电池技术并成功转化至美国Lyten公司。此外，团队参与修订中国工程院新材料领域技术路线图，并担任芬兰科学院FennoFlake项目四位国际顾问委员之一，推动了二维材料在能源与信息领域的产业化进程；主编的Electrochemical Nanofabrication：Principles and Applications被时任国际电化学学会(ISE)主席的Robert Hillman教授高度评价并写序推荐；参与编著基于纳米技术的未来移动通讯器件Nanotechnologies for Future Mobile Devices一书，主导能源与传感两个章节编写，该书在剑桥大学出版社出版，并被Science专题推介；团队参与了Contact Electrification of Matter编写，负责固液接触起电章节，该书由施普林格·自然(Springer Nature)出版。
3.经济效益和社会效益：团队曾代表英国剑桥诺基亚贝尔实验室承担欧盟“石墨烯旗舰计划”子项目，推动技术在欧洲产业化落地；在高性能柔性储能器件与新型离子电子学方向取得的创新成果具有显著经济和社会效益。通过提升电化学活性物质与柔性非金属集流体之间的界面黏附性，并开发高稳定性凝胶电解质，团队成功构建出可耐15万次机械弯折且容量保持率近100％的超耐久柔性锂离子电池。该成果发表后受到国内外广泛关注，入选多家学术期刊亮点文章推荐，并被30余家媒体报道。2020年9月，在“创客中国”智能制造创新创业大赛中，基于该技术的“石墨烯柔性锂离子电池”项目从全国200余支队伍中脱颖而出，荣获创客组全国总决赛一等奖，展示了该成果的产业化潜力与市场前景。团队一直致力于北京市新型研发机构建设，与原科技部火炬高技术产业开发中心合著《国家科技战略引擎：新型研发机构》，首次提出科学技术-市场之间“两个死亡之谷”的概念，为硬科技产业结构、研发机制及人才梯度研究提供了重要参考。在基础研究方面，团队聚焦双电层这一纳米尺度下离子-电子耦合的关键界面，提出了基于双电层调控的离子电子学(Iontronics)新范式。通过纳米通道构型设计和接触起电调控机制，团队构建了可调式离子电子学器件，支撑了类脑计算等前沿信息技术发展。该研究不仅为后摩尔时代高效能量与信息流协同提供了新路径，也为仿神经递质限域化学反应设计提供了新思路，具有深远的学术影响和广阔的应用前景。 |
| 申报信息 |
| 相关人信息 |
| 完成单位： |
中国科学院北京纳米能源与系统研究所 |
| 完成人： |
魏迪 |
| 行业及专利信息 |
| 应用行业名称： |
工程和技术研究与试验发展 |
| 应用行业码： |
752 |
| 转让信息 |
| 投资信息 |
| 推广信息 |
| 联系信息 |
| 联系单位名称： |
中国科学院北京纳米能源与系统研究所 |
| 联系单位地址： |
北京市海淀区学院路30号天工大厦C座 |
| 邮政编码： |
100083 |
