重量約為兩粒大米，但具有更大、更重的電池的能量密度，研究人員的無包裝設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)許多其他不可能實(shí)現(xiàn)的電子產(chǎn)品。圖片來源：賓夕法尼亞大學(xué)

隨著無線電子設(shè)備變得越來越小，越來越普遍，期設(shè)計(jì)者必須不斷找到方法，讓電池在更小的空間中存儲(chǔ)更多的能量。同時(shí)，由于它們?cè)絹碓蕉嗟乇粦?yīng)用于可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等移動(dòng)設(shè)備，電池必須更輕，且能承受日常生活中的磕碰和擦傷。

棘手的是，隨著電池體積越來越小，能量密度也變得越來越難提高。部分原因是電池的大部分空間必須用于保護(hù)包裝。

考慮到這一挑戰(zhàn)，美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一項(xiàng)新研究展示了一種新的方法來制造和封裝微型電池，即使在最小的尺寸下也能使能量密度最大化。相關(guān)研究近日發(fā)表于《先進(jìn)材料》。

研究人員的關(guān)鍵進(jìn)展是一種新型的電流集電極和陰極，它增加了儲(chǔ)存能量的材料的比例，同時(shí)起到保護(hù)外殼的作用。這就減少了對(duì)非導(dǎo)電封裝的需求，而非導(dǎo)電封裝通常可以保護(hù)電池內(nèi)部敏感的化學(xué)物質(zhì)。

“我們實(shí)際上制造了具有雙重功能的電流收集器。”賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)系的助理教授、該研究負(fù)責(zé)人James Pikul說，“它們既是電子導(dǎo)體，也是防止水和氧氣進(jìn)入電池的包裝材料。”

這種額外的空間效率使得其能量密度是目前最先進(jìn)的微電池的4倍。研究人員的微電池設(shè)計(jì)足夠輕，可以由昆蟲攜帶，為更小的飛行微型機(jī)器人、壽命更長的植入醫(yī)療設(shè)備以及各種其他不可能用于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備打開了大門。

電池以化學(xué)鍵的形式儲(chǔ)存能量，當(dāng)化學(xué)鍵斷裂時(shí)釋放能量。為了正常工作，這種反應(yīng)必須只在需要電力時(shí)發(fā)生，但隨后必須反應(yīng)足夠迅速，以提供有用的電流。

為了滿足后一半的要求，微電池歷來都需要薄電極。這種厚度允許更多的電子和離子在電極間快速移動(dòng)，但這是以較低的儲(chǔ)能化學(xué)物質(zhì)和難以制造的復(fù)雜設(shè)計(jì)為代價(jià)的。

研究人員開發(fā)了一種新的制造電極的方法，使電極既厚又能快速傳輸離子和電子。傳統(tǒng)的陰極是由壓縮在一起的壓碎的粒子組成的，這一過程導(dǎo)致電極之間有很大的空間，以及一個(gè)隨機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使離子在電池中移動(dòng)的速度變慢。

“相反，我們直接從熔融鹽浴中沉積陰極。”研究共同作者、Xerion先進(jìn)電池公司研發(fā)總監(jiān)John B. Cook說，“這使我們比傳統(tǒng)陰極具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兊年帢O幾乎沒有孔隙或空氣間隙。”

“這個(gè)過程也使陰極的‘原子高速公路’對(duì)齊，這意味著鋰離子可以通過陰極最快、最直接的路徑進(jìn)入設(shè)備，在保持高能量密度的同時(shí)提高微電池的功率密度。”Pikul說。

這些重新設(shè)計(jì)的組件在傳輸離子方面非常高效，它們可以制成足夠厚的材料，使儲(chǔ)存能量的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加1倍，而不會(huì)犧牲為它們所連接的設(shè)備供電所需的速度。結(jié)合這種新型包裝，微型電池的能量和功率密度是普通電池的100倍，而重量只有兩粒大米。

研究人員將繼續(xù)研究化學(xué)和物理特性，以進(jìn)一步提高性能，同時(shí)還將制造利用這些新能源的可穿戴設(shè)備和微型機(jī)器人。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202101760