【前沿技术】生物活性离子驱动的可切换超级电容器

【背景介绍】

超级电容器（supercapacitors），又称电化学电容器，因其具备高功率密度、快速充放电和超长循环寿命等优势，被广泛应用于便携电子设备、电动车辆和智能电网调节等多个领域。其能量存储依靠多孔电极表面快速积累电解质离子形成电化学双电层，不依赖传统电化学反应，因此具有响应速度快、能量转换效率高的特点。随着柔性电子、生物电子和神经形态计算等新兴应用场景不断涌现，传统超级电容器逐渐暴露出功能单一、结构刚性和缺乏可调控性等问题。

在智能系统中，储能元件若能实现开关控制和状态调节，将显著拓展其应用范围。例如，在神经拟态系统中，超级电容器若能像神经突触一样响应外部刺激并产生不同输出状态，有望在神经网络构建和信息加权传递等方面展现出巨大潜力。基于这一需求，《Angewandte Chemie》发表的研究论文《Bioactive Ion-Based Switchable Supercapacitors》首次提出并实现了一种基于生物活性离子胆碱离子（Choline Ion, Ch⁺）的可切换超级电容器（Switchable Supercapacitor, SSC）。如图1所示，该研究通过借鉴神经递质的传递机制，引入门控结构和多端口调控方式，使电容器能够在导通与关闭、高电容与低电容等状态之间自由切换，为储能器件的智能化发展提供了全新思路。

【研究进展】

本研究提出了一种新颖的四端口超级电容器系统，包含主电容器（Main Capacitor, M-Cap）与检测电容器（Detective Capacitor, D-Cap）。该系统通过对主电容器施加偏压，有效调控电极对胆碱离子（Choline Ion）的可逆吸附与释放，从而引起检测电容器电容变化，实现对离子浓度的实时监测与调控。主电容器采用多孔碳电极构成，在外加电场作用下，可驱动胆碱离子的迁移与界面吸附。施加正偏压时，胆碱离子被吸附至电极表面，导致电解质中自由离子浓度降低，进而引起检测电容器电容值下降；移除偏压后，胆碱离子重新释放回电解质中，电容值随之恢复。该系统展现出良好的电控可逆性和响应性，为生物活性离子的精准调控提供了新的技术路径与可能。

如图2所示，为深入揭示胆碱离子在多孔碳电极上的吸附机制，研究团队综合运用了核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）等多种表征技术。结果显示，胆碱离子在电极表面主要通过物理吸附（physisorption）与电吸附（electrosorption）两种机制协同实现。前者源于胆碱离子与碳基材料之间的范德华力及静电相互作用，而后者则是在外加电场驱动下，胆碱离子被推进至电极孔道内部并牢固吸附。实验进一步发现，在施加偏压时，电吸附效应显著增强，胆碱离子在电极表面的吸附量明显上升，导致电解质中可用离子浓度降低；当外加偏压撤除后，胆碱离子从电极释放回电解质中，离子浓度逐步恢复。该过程表现出良好的可逆性与稳定性，在多次电控循环操作后仍保持一致性，验证了该系统优异的循环性能和电控调节能力。

图2：多孔碳材料对胆碱离子（ChCl）的结构与吸附性能分析。(a) ROX 与 ACC 的 N₂ 吸附等温线及孔径分布，ROX 显示更丰富的中孔结构；(b) 拉曼光谱中 715 cm⁻¹ 特征峰强度随 ChCl 浓度增加而增强，插图显示良好的线性关系（R² = 0.99）；(c) 原位拉曼监测表明在施加电压下 ROX 中 ChCl 浓度明显下降；(d) ROX 对 ChCl 的吸附量显著高于 ACC，具有更强离子调控能力；(e–h) 核磁共振（¹H NMR）显示 ROX 在偏压作用下表现出更明显的电吸附行为，信号变化显著且具可逆性。

研究选用两种孔径分布不同的多孔碳材料：ROX 型和 ACC型。ROX 平均孔径约为 2.2 nm，具有较宽的孔径分布；ACC 平均孔径约为 0.8 nm，孔径较小且分布较窄。实验结果显示，ROX 在电吸附过程中表现出更高的胆碱离子吸附容量和更快的响应速率，主要归因于其较大的孔径结构，有助于离子的传输与扩散。相对而言，ACC 孔径狭窄，限制了胆碱离子的进入，导致吸附性能较低。此外，ROX 在多次吸附-释放循环中仍保持稳定的吸附能力与电容值，未出现明显衰减，表明其具备良好的可逆性与循环稳定性。结果表明，孔径结构对电控离子调控性能具有显著影响，合理设计碳材料的孔结构是实现高效离子调控的关键。

图4：不同构型下四端口超级电容器系统的结构设计与性能表现。其中：(a–c) 指代三种器件结构构型：Type I（碳–碳结构），Type II（对称碳布结构），Type III（碳–钛网结构）；M-Cap 为主电容器，D-Cap 为检测电容器。

如图5所示，本研究不仅揭示了电控离子调节系统的基本结构原理，也展示了其在可穿戴生物电子领域的广阔应用前景。该系统采用类晶体管架构为核心，结合柔性电极与可调电场，实现了对特定离子的精准吸附与释放调控。器件设计紧凑、结构可集成，适合贴附于皮肤表面，亦具备扩展为植入式应用的潜力。实验结果表明，该系统在保持优异电化学性能的同时，具有良好的生物相容性，可在不干扰正常生理环境的条件下稳定运行。其离子响应过程可实现对体液中活性离子浓度的动态监测，特别适用于汗液、组织间液等微环境中的胆碱、钾、钠等生物信号的实时检测。该特性使其在神经调控、疾病预警、个性化健康监测等方向展现出重要应用价值，为构建下一代柔性、智能、高响应性的生物电子器件提供了有力支撑。

【总结和展望】

该研究成功实现了对生物活性离子的可逆电控调节，为超级电容器在生物电子学领域的应用开辟了新路径。其在神经调控、药物递送和神经形态计算等方面的潜在应用，展示了该技术的广阔前景。更为重要的是，研究人员首次提出并验证了利用超级电容器实现对生物活性离子的可逆调控，开辟了储能器件在生物电子、器件逻辑运算领域的新应用方向。通过精巧的器件设计和深入的机制解析，展示了电场在控制离子行为方面的创新应用价值。