在全球能源转型与微型电子设备普及的双重推动下，储能技术正朝着小型化、高效化、多功能化方向快速发展。微流控技术凭借其在微米尺度下精准操控流体与反应的核心优势，成为连接宏观储能需求与微观反应机制的关键桥梁。从 PDMS 芯片制备到 MEMS 加工赋能，从器官芯片集成到微流控定制化解决方案，这一技术正全面重塑储能系统的设计、制备与应用逻辑，为电化学、生化、太阳能等多类型储能场景提供创新路径。
1. 微流控技术基础与核心优势
微流控技术本质是在微米级通道中实现流体的精准操控，其核心优势源于独特的物理特性与工程设计。该技术依托 MEMS 加工工艺、光刻技术及 PDMS 芯片加工平台，能够构建具有高表面积 / 体积比的微通道结构，实现高效的传热传质与反应控制。在芯片制备环节，PDMS 键合机、对准平台与光刻胶模具的应用，确保了微通道结构的精度与稳定性，而开放式与封闭式微流控系统的灵活选择，可适配不同储能场景需求 —— 封闭式系统凭借低污染、高流速优势适用于精密储能设备，开放式系统则通过毛细管作用无需额外泵体，成为便携式设备的理想选择。
与传统宏观储能系统相比，微流控技术的核心竞争力体现在三方面：一是通过微纳加工技术实现储能单元的微型化与集成化，如将超级电容器、电池电极等核心组件集成于单块 PDMS 芯片，大幅降低设备体积；二是 laminar 流动特性减少反应物混合损耗，提升能量转换效率；三是借助精准的流体控制，实现储能过程的实时监测与动态调控，为储能系统优化提供数据支撑。这些优势使得微流控技术在便携式电子设备、POCT 检测、环境监测等场景中具备不可替代的价值。
图2. a)层流和湍流的示意图。b)两种流体在T形微混合器中流动的模拟，混合仅通过扩散在界面处发生。经许可转载。[18]版权所有2020，施普林格·自然。c)封闭式和开放式微流控系统的示意图，及其各自的优缺点列表。
2. 微流控储能系统的多元技术路径
1) 电化学储能：微型化与高性能的双重突破
微流控技术为电化学储能带来了革命性升级，从超级电容器到微型电池，均实现了性能与形态的双重优化。在微流控超级电容器领域，通过 PDMS 芯片定制与光刻技术构建的多孔电极结构，使器件比电容显著提升，如基于氮掺杂石墨烯纤维的微型超级电容器，其面电容可达 1132 mF・cm⁻²，且具备良好的柔性与可编织性，适配 wearable 电子设备需求。微流控电池则通过 MEMS 加工实现的微通道设计，解决了传统电池的传质限制 —— 无膜 redox 流电池利用层流特性避免反应物交叉污染，无需昂贵的离子交换膜，功率密度可达 0.795 W・cm⁻²，而纸基微流控铝 – 空气电池凭借 PDMS 浇筑器制备的微通道结构，能量密度高达 2900 Wh・kg⁻¹，且具备低成本、可降解优势。
图3. a) 一种微流控光电化学折纸装置，以及b) 内置全固态纸基超级电容器，该电容器包含石墨膜电极和\(H_{2} SO_{4} -PVA\)凝胶电解质。经许可转载。版权所有2013，美国化学会。c) 利用银或铝电极以及\(AgNO_{3}\)和\(AlCl_{3}\)电解质的微流控电池，这些电池可串联或并联。经许可转载。版权所有2012，英国皇家化学会。d) 微流控铝-空气电池的示意图，该电池包含夹在铝箔阳极和石墨阴极之间的纸质通道。经许可转载。[3a]版权所有2019，英国皇家化学会。e) 具有电解质共层流的无膜微流控氧化还原电池的图像。经许可转载。[26]版权所有2013，英国皇家化学会。e) 在微流控通道中加入混合元件以增强微流控电池中的质量传输。经许可转载。[27]版权所有2012，美国化学会。g-h) 一次性可生物降解的PowerPAD微流控电池使用多孔碳电极和有机电解质。经许可转载。[28]版权所有2017，Wiley-VCH GmbH。
2) 生化储能：绿色高效的能量转化新范式
微流控技术解锁了生化储能的高效利用路径，生物燃料 cell 与微生物 fuel cell 成为两大核心方向。基于纸基微流控芯片的生物燃料 cell 可利用葡萄糖、蔗糖等常见底物发电，甚至适配可乐、冰红茶等日常饮品作为燃料，通过微流控通道的毛细作用实现电解液自驱动，无需外部泵体，适用于应急供电场景。微生物 fuel cell 则借助微流控芯片构建的精准微环境，延长微生物存活周期，如基于芽孢杆菌的 wearable 设备，在汗液供应中断时可形成芽孢休眠，恢复供应后快速复苏发电，展现出长效稳定的储能特性。此外，微流控芯片表面修饰技术（如氨基修饰、PEG 修饰）的应用，进一步提升了生物催化剂的固定效率与反应稳定性。
图4. a) 一种基于PDMS的微流控生物燃料电池，其碳墨水阳极经聚（亚甲基绿）和乙醇脱氢酶修饰。经许可转载。[50] 版权所有2004，英国皇家化学会。b) 一种非酶葡萄糖微流控生物燃料电池，采用金属催化剂而非生物催化剂。该芯片由Y形纸基微通道构成，并装配有金电极和铜电极。经许可转载。[55] 版权所有2021，爱思唯尔。c、d) 在以大肠杆菌为生物催化剂的微流控微生物燃料电池中掺入镍纳米结构以提高性能。[56] 经许可转载。版权所有2019，爱思唯尔。
3) 太阳能储能：从能量捕获到高效存储的一体化
微流控技术实现了太阳能捕获与存储的一体化设计，为解决光伏能源间歇性问题提供了新方案。微流控光电子化学 cell 通过光刻技术制备的三维电极结构，提升了光吸收效率与电荷分离效率，可直接将太阳能转化为氢能、甲醇等化学燃料，其中 CO₂还原系统的太阳能 – 燃料转化效率已达 0.48%，且具备连续 12 小时稳定运行能力。分子太阳能热存储（MOST）系统则借助微流控芯片的精准温度控制与流体操控，实现光开关材料的高效异构化与能量存储，多层结构设计的 MOST 器件可适配不同波长的太阳能，进一步提升能量存储密度。
图5. a) 一种蒸汽供料的太阳能微流电解器，其包含聚合物离子导体薄膜，可直接从空气中吸收水分。经许可转载。[86] 版权所有2012，英国皇家化学会。b) 一种夹层式微流光电化学电池的示意图，用于太阳能驱动的\(CO_{2}\)转化为甲醇和甲酸盐。经许可转载。[88] 版权所有2019，英国皇家化学会。c) 一种全钒微流光电化学电池，d) 具有自掺杂的\(TiO_{2}\)光阳极，用于太阳能存储。经许可转载。版权所有2021，爱思唯尔。e) 一种微流控MOST，包括太阳能收集器、催化反应器和热交换器。经许可转载。[95] 版权所有2012，英国皇家化学会。f) 一种基于液体的三层多结MOST器件，使用降冰片二烯、二氢薁和偶氮苯衍生物作为光开关材料。根据CC-By许可条款转载。[96] 版权所有2021，作者。由Wiley-VCH GmbH出版。g) 结合微流控MOST和抛物面聚光器的系统示意图。h) 在自然户外条件下测试该系统的照片。经许可转载。[97] 版权所有2017，Wiley-VCH GmbH。
3. 微流控赋能储能材料创新制备
微流控技术不仅优化储能系统设计，更在储能材料制备领域展现出独特优势，通过微流控纺丝、液滴微流控、光刻蚀刻等技术，实现了多种高性能储能材料的精准合成。在超级电容器材料领域，微流控纺丝技术可制备石墨烯、MXene 等高性能纤维材料，通过调节 PDMS 芯片的微通道结构与流体参数，精准控制纤维直径与孔隙率，所制备的氮掺杂多孔石墨烯纤维电极，能量密度与功率密度均优于传统材料。液滴微流控技术则为纳米颗粒材料的批量制备提供了高效路径，如石墨烯微珠、黑磷基异质结材料等，通过微流控芯片的 droplet 生成与原位反应，实现材料形貌与性能的精准调控，其比电容可达 243 F・g⁻¹，循环稳定性超过 3000 次。
在电池材料领域，微流控反应器技术大幅提升了电极材料的制备效率与性能。用于钠离子电池的钠钒氟磷酸盐材料，通过微流控技术可在 240℃下仅需 6.3 秒完成制备，相较于传统高温固相法（600℃、1 小时），效率提升近 600 倍，且材料电化学性能更优。PDMS 模具与光刻胶模具在电极微结构制备中的应用，实现了锂离子电池的透明化与柔性化，如网格状电极设计的透明 Li-ion 电池，透光率达 60%，能量密度 10 Wh・L⁻¹，为透明电子设备提供了储能解决方案。此外，微流控技术制备的相变材料微胶囊，通过芯壳结构设计解决了传统相变材料泄漏问题，融入 Fe₃O₄纳米颗粒后，过冷度可降至 2.65℃，显著提升热储能稳定性。
图6. a) 采用微流控纺丝技术制备用于微型超级电容器的均质氮掺杂多孔石墨烯纤维。b) 柔性微型超级电容器在可穿戴电子设备中的应用。经许可转载。[102c]版权所有2017，Wiley-VCH GmbH。c) 用于超级电容器电极的石墨烯微球的微流控液滴制备。经许可转载。[108]版权所有2015，英国皇家化学会。d) 用于制备E-BP/ZIF-67异质结构杂化物的原位超快液滴反应，其中反应物被连续注入微流控液滴装置。经许可转载。[109]版权所有2021，Wiley-VCH GmbH。e) 磁热微流控系统，包括一个受到外部超声作用的T形微通道和一个用于制备[111] CP/HG核壳微纤维的磁性蚀刻装置。经许可转载。版权所有2020，Wiley-VCH GmbH。
4. 微流控储能系统的实战应用场景
1) 医疗诊断：POCT 领域的自供能解决方案
微流控储能系统与医疗诊断的结合，催生了一系列自供能 POCT 设备，彻底改变了传统诊断对外部电源的依赖。基于微流控纸基芯片的葡萄糖检测系统，集成 Al / 空气电池与检测单元，通过电池释放的电能驱动反应，实现尿液中葡萄糖的定性与定量检测，线性检测范围 0.1-3 mM，与商用血糖仪结果高度一致。针对癌症标志物检测的微流控光电子化学设备，借助内置超级电容器的信号放大功能，检测限低至 2.1 pg・mL⁻¹，可同时实现 CEA、AFP 等多种标志物的并行检测。这些设备依托 PDMS 芯片的低成本制备与微型化优势，无需复杂操作，适用于基层医疗与应急诊断场景。
图7. a) 利用同轴液滴微流控技术制备用于锂硫电池正极的多硫化物受限一体化多孔微胶囊。经许可转载。[115] 版权所有2021，Wiley-VCH GmbH。b) 一种用于制备钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的微流控反应器方法，与传统方法相比，该方法所需的制备时间显著缩短。经许可转载。[117] 版权所有2021，爱思唯尔。c) 利用微流控纺丝技术制备嵌入纤维素纳米晶体和MnS纳米颗粒的柔性有序碳纳米纤维膜，作为锂金属电池的中间层。经许可转载。[118] 版权所有2021，爱思唯尔。
2) 环境治理：污染物检测与资源化的双重赋能
微流控储能系统在环境领域的应用，实现了污染物检测与降解的一体化。针对水体中 β-D – 半乳糖苷酶（污水污染标志物）的检测芯片，集成微流控电池与荧光检测单元，19 分钟即可完成定性检测，定量检测限低至 0.7 nM，相较于传统培养法（48 小时）大幅提升检测效率。在污染物降解方面，3D 打印微流控光电子化学 cell 可将罗丹明 B 等有机污染物转化为电能，降解率达 73.6%，最大功率密度 0.48 mW・cm⁻²，实现了污染治理与能量回收的双赢。这些系统借助微流控芯片的高传质效率与微型化设计，可部署于污染现场进行实时监测与处理。
图8. a,b) 经许可的、作为微流控增强光阳极的具有微流控通道的CC/ZnO异质结构的制备示意图。[3b]版权所有2019，爱思唯尔。d) 一种涂覆有PA66纳米纤维和PPy纳米颗粒的3D光热催化球形蒸发器，通过微流控吹纺技术制造。c) 使用微流控增强光阳极时，RhB向\(H_{2}\)的转化得到改善。经许可转载。e,f) 使用球形收集器进行\(CO_{2}\)光还原为一氧化碳和甲烷。根据CC-BY许可条款转载。[3c]版权所有2021，作者。由Wiley-VCH GmbH出版。
3) 模型仿真：储能系统优化的精准工具
微流控技术为储能系统的机理研究与优化设计提供了精准的仿真平台。通过 PDMS 芯片构建的微型仿真模型，可实时观测锂离子电池中锂离子的传输过程，为电池老化机制研究提供直观数据；在微生物 fuel cell 研究中，借助透明微流控芯片与相位衬度显微镜，可原位观察生物膜形成过程，优化电解液流速以提升电池性能。针对压缩空气储能（CAES）系统，微流控芯片模拟不同储层结构（砂岩、碳酸盐岩）的气液两相流动，为宏观 CAES 系统的储层选择与优化提供科学依据。
图9. 用于制备a-b)负载\(TiO_{2}\)纳米颗粒的聚（1,6-己二醇二丙烯酸酯）基聚合物以及c)内嵌\(Na_{2} SO_{4} \cdot 10 H_{2} O\)相变材料的\(SiO_{2}\) microparticles的两相液滴微流控乳化技术。经许可转载。[126,127] 版权所有2018，美国化学会；版权所有2017，美国化学会。d) 用于制备封装相变材料的三相液滴微流控乳化技术。经许可转载。[128] 版权所有2019，爱思唯尔。e) 利用管状微流控技术制备核心内嵌\(Fe_{3} O_{4}\)纳米颗粒的正十八烷/聚脲微胶囊。经许可转载。版权所有2013，爱思唯尔。f) 通过微流控纺丝技术制备的柔性RT27/聚乙烯醇缩丁醛核壳结构微纤维相变材料。经许可转载。[130] 版权所有2015，爱思唯尔。
5. 行业发展挑战与未来趋势
尽管微流控储能技术已取得显著突破，但规模化应用仍面临多重挑战：一是芯片制备成本居高不下，传统光刻与 PDMS 键合设备依赖进口，国产微流控芯片的性价比与稳定性有待提升；二是规模化生产技术不成熟，现有微流控芯片多为实验室级制备，缺乏批量生产的标准化流程；三是材料兼容性与可持续性不足，多数芯片为一次性使用，缺乏有效的回收与降解方案。
图10. a) 一种基于纸张的微流控传感平台，集成了铝/空气电池，用于检测人工尿液中的葡萄糖。b) 当向该装置中添加葡萄糖时，普鲁士蓝斑点会被还原为普鲁士白。经许可转载。[143] 版权所有2012，美国化学会。c) 一种用于葡萄糖定量传感的自供能微流控折纸电化学发光平台。d) 电化学发光信号与葡萄糖浓度成正比，线性范围为0.1 mM至3 mM。经许可转载。[144] 版权所有2013，英国皇家化学会。e、f) 一种Y形微流控生物燃料电池，配备了经葡萄糖氧化酶和漆酶修饰的多壁碳纳米管电极，用于葡萄糖的连续监测。根据CC-BY许可条款转载。[51c] 版权所有2020，作者。由MDPI出版。g) 基于微流控IMPReset逻辑的生物燃料电池生物传感器在不同ATP和凝血酶输入条件下的状态示意图。经许可转载。[145] 版权所有2010，英国皇家化学会。h) 用于检测人血清中ATP的低成本、便携式折纸纸质微流控光电化学装置示意图。i) 有无超级电容器放大情况下，所产生的光电流与ATP浓度的对比。经许可转载。[23d] 版权所有2013，美国化学会。j、k) 一种带有镁阳极的纸质微流控电池，为芯片上的荧光分析供能，用于碱性磷酸酶的定量分析。l) 智能手机可用于量化荧光信号强度，从而[146] 测量碱性磷酸酶的活性。经许可转载。版权所有2014，AIP出版有限责任公司。
未来，行业将朝着三大方向突破：首先，低成本制备技术的国产化替代，通过自主研发 MEMS 加工设备、光刻胶模具与 PDMS 键合机，降低芯片制备成本，推动国产微流控芯片的规模化应用；其次，储能系统的集成化与多功能化，将微流控储能单元与传感器、处理器集成于单块芯片，实现 “储能 – 检测 – 控制” 一体化；最后，可持续性技术的创新，开发可降解 PDMS 材料、可逆键合技术，提升芯片的重复利用率，降低环境影响。此外， nanofluidics 技术的跨界融合、核能源与氢能等新型储能场景的探索，将为微流控储能技术开辟更广阔的发展空间。
将sidase添加到装置中后，它发生反应形成荧光染料7-羟基香豆素，随后该荧光染料被紫外发光二极管（UV-LED）照亮。重现图11。a）一种纸基微流控装置，其集成了电池，可为紫外发光二极管供电，用于检测\(\beta-c\) -半乳糖苷酶。当β-D-半乳糖（存在时），经许可重现。版权所有2012，英国皇家化学会。b）使用配备相机的手机测量荧光强度，对β-D-半乳糖苷酶浓度进行定量测定。c）荧光强度与β-D-半乳糖苷酶浓度之间的关系。经许可重现。[150]版权所有2014，英国皇家化学会。d）一种容纳生物基 redox 电容器薄膜的微流控装置示意图，该装置用于检测绿脓菌素。e、f）生物基 redox 电容器薄膜由三电极系统构成，该系统用壳聚糖、苯酚和儿茶酚功能化，以进行氧化还原反应。g）不同绿脓菌素（PYO）浓度下的循环伏安曲线（CVs）和h）峰值还原电流。经许可重现。[24c]版权所有2018，英国皇家化学会。i）一种3D打印的微流控光电化学电池，用于将污染物罗丹明B（RhB）降解为电能。j）在不同电解质流速下，该微流控光电化学电池的性能。经许可重现。[151]版权所有2020，美国化学会。
图12. a) 利用宽场荧光显微镜在直微流控通道中追踪锂离子。b) 利用荧光指示剂2-2（-羟基苯基）萘并噁唑追踪微流控通道不同位置的锂离子。经许可转载。[158] 版权所有2017，美国化学会。c-e) 利用比色法5,10-双（2-甲氧基乙基）-5,10-二氢吩嗪阴极电解液对无膜微流控液流电池进行原位可视化。f) 不同电极几何形状下电池性能的比较。根据CC-BY许可条款转载。[159] 版权所有2022，作者。由美国国家科学院出版。g) 用于微生物燃料电池中生物膜形成原位可视化的微流控平台。h) 电化学性能和i) 不同阳极电解液流速下生物膜形成的比较。经许可转载。[160] 版权所有2020，爱思唯尔。j) 用于CAES系统中两相流体流动建模的基于PDMS的微流控芯片。k) 所建模的两种储层的微柱设计。经许可转载。[161] 版权所有2019，施普林格·自然集团。
微流控技术正以芯片制备为核心，从材料创新、系统设计到场景应用，全面重塑储能行业的发展格局。随着国产微流控芯片技术的崛起与规模化生产能力的提升，这一技术将在便携式电子设备、医疗健康、环境治理等领域实现更广泛的应用，为全球能源转型与可持续发展提供强大动力。
参考文献：DOI: 10.1002/aesr.202200060
Dxfluidics product ( standard PDMS chip)
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| Product Code | Outline （mm） | Height （um） | Width （um） | Thickness （mm） | Chip material | Price （CNY） |
| K0001 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0002 | 45*20 | 50 | 80&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0003 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0004 | 45*20 | 50 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0005 | 45*20 | 50 | 50&100&150 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0006 | 45*20 | 50 | 100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0007 | 75*25 | 100 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0008 | 52*25 | 100 | 100&150&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0009 | 35*24 | 100 | 100&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
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