隨著電子產(chǎn)品變得越來越小、越來越普遍，設(shè)計(jì)人員必須不斷尋找新的方法讓電池在更小的空間內(nèi)可以儲存更多的電力。而且由于這些設(shè)備的移動性也越來越強(qiáng)，以可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等的形式出現(xiàn)，這些電池必須更輕，同時(shí)仍能承受日常生活中的顛簸和擦傷。

這對技術(shù)上來說，是存在極大的難處的，隨著電池體積變小，能量密度需要提高的量級是呈指數(shù)級增長，部分原因是電池占用空間的較大部分必須用于保護(hù)性包裝。

考慮到這一挑戰(zhàn)，賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的新研究展示了一種構(gòu)建和封裝微電池的新方法，即使在最小尺寸下也能最大限度地提高能量密度。

重約兩粒米，但具有更大、更重電池的能量密度，研究人員的無包裝設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)許多原本不可能的電子產(chǎn)品。：PennEngineeringToday

研究人員的關(guān)鍵發(fā)展是一種新型集電器和陰極，它增加了儲存能量的材料比例，同時(shí)充當(dāng)保護(hù)殼。這減少了對通常保護(hù)電池敏感內(nèi)部化學(xué)品的非導(dǎo)電包裝的需求。

“我們基本上制造了具有雙重功能的集電器，”賓夕法尼亞大學(xué)工程機(jī)械工程和應(yīng)用力學(xué)系助理教授、該研究的負(fù)責(zé)人詹姆斯皮庫爾說：“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。”

這種額外的空間效率產(chǎn)生的能量密度是當(dāng)前最先進(jìn)的微型電池的四倍。研究人員的微型電池設(shè)計(jì)輕到足以被昆蟲攜帶，為小型飛行微型機(jī)器人、壽命更長的植入式醫(yī)療設(shè)備以及各種原本不可能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備打開了大門。

該研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上，由Pikul、他實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者岳秀軍、伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校材料科學(xué)與工程系教授PaulBraun和JohnCook領(lǐng)導(dǎo)，XerionAdvancedBatteryCorp研發(fā)總監(jiān)

電池以化學(xué)鍵的形式儲存能量，當(dāng)這些鍵斷裂時(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，但必須足夠迅速地反應(yīng)以提供有用的電流量。

為了滿足這些要求的后半部分，微電池歷來需要薄電極。這種薄度允許更多的電子和離子快速通過電極，但代價(jià)是儲存能量的化學(xué)物質(zhì)更少，而且設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以制造。

研究人員開發(fā)了一種制造電極的新方法，使它們變厚，同時(shí)還允許快速離子和電子傳輸。傳統(tǒng)的陰極由壓在一起的壓碎顆粒組成，這一過程會導(dǎo)致電極之間產(chǎn)生很大的空間，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨機(jī)，當(dāng)離子通過電池時(shí)會減慢它們的速度。

“相反，我們直接從熔鹽浴中沉積陰極，”庫克說，“這使我們比傳統(tǒng)陰極具有巨大優(yōu)勢，因?yàn)槲覀兊年帢O幾乎沒有孔隙或氣隙。”

這個(gè)過程還調(diào)整了陰極的‘原子高速公路’，這意味著鋰離子可以通過最快、最直接的路徑穿過陰極進(jìn)入設(shè)備，提高微電池的功率密度，同時(shí)保持高能量密度。

這些重新設(shè)計(jì)的組件在傳輸離子方面非常有效，以至于它們可以做得足夠厚，可以將儲能化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加一倍，而不會犧牲實(shí)際為它們所連接的設(shè)備供電所需的速度。結(jié)合新的包裝，這些微型電池的能量和功率密度比電池大一百倍，而重量只有兩粒米。

研究人員將繼續(xù)研究可以調(diào)整以進(jìn)一步提高性能的化學(xué)和物理特征，同時(shí)還構(gòu)建利用這些新電源的可穿戴設(shè)備和微型機(jī)器人。