新設計讓電池具有更大的能量密度，重量卻僅等于兩粒大米。圖片來源：賓夕法尼亞大學
隨著無線電子設備變得越來越小，設計者必須不斷找到方法，讓電池在更小的空間中存儲更多能量。同時，由于它們越來越多地被應用于可穿戴設備、機器人等移動設備，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，電池的體積越來越小，能量密度卻越來越難提高。部分原因是電池的大部分空間必須用于保護包裝。
考慮到這一挑戰，美國賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院一項研究展示了一種制造和封裝微型電池的新方法，即使在最小尺寸下也能使能量密度最大化。相關研究近日發表于《先進材料》。
研究的關鍵進展是一種新型電流集電極和陰極，它提高了儲存能量的材料的比例，同時起到保護外殼的作用。這就減少了對非導電封裝的需求，而非導電封裝通常可以保護電池內部敏感的化學物質。
“我們實際上制造了具有雙重功能的電流收集器。”賓夕法尼亞大學機械工程和應用力學系助理教授、該研究負責人James Pikul說，“它們既是電子導體，也是防止水和氧氣進入電池的包裝材料?！?/p>
這種額外的空間效率使其能量密度達到目前最先進的微電池的4倍。研究人員設計的微電池足夠輕，可以由昆蟲攜帶。這為微型飛行機器人、壽命更長的植入醫療設備以及各種其他不可能用于物聯網的設備打開了大門。
電池以化學鍵的形式儲存能量，當化學鍵斷裂時釋放能量。為了正常工作，這種反應只在需要電力時發生，隨后必須反應足夠迅速，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，但這是以較低的儲能化學物質和難以制造的復雜設計為代價的。研究人員開發了一種制造電極的新方法，使電極既厚又能快速傳輸離子和電子。
傳統的陰極是由壓縮在一起的碎粒子組成的，這一過程導致電極之間有很大的空間以及隨機的內部結構，使離子在電池中的移動速度變慢?！跋喾?，我們直接從熔融鹽浴中沉積陰極。”研究共同作者、Xerion先進電池公司研發總監John B. Cook說，“這使我們的新設計比傳統陰極具有更大優勢，因為我們的陰極幾乎沒有孔隙或空氣間隙?！?/p>
“這個過程也使陰極的‘原子高速公路’對齊，這意味著鋰離子可以通過陰極最快、最直接的路徑進入設備，在保持高能量密度的同時提高微電池的功率密度?！盤ikul說。
這些重新設計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，使儲存能量的化學物質的數量增加一倍，而不會犧牲為它們連接的設備供電所需的速度。結合這種新型包裝，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。
接下來，研究人員將繼續研究化學和物理特性，以進一步提高性能，同時還將制造利用這些新能源的可穿戴設備和微型機器人。（晉楠）
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