將大型電池的電化學(xué)性能轉(zhuǎn)化為微型電源一直是一項(xiàng)長(zhǎng)期存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，限制了電池為微型設(shè)備、微型機(jī)器人和植入式醫(yī)療設(shè)備供電的能力。伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員創(chuàng)造了一種高壓微型電池 (> 9 V)，具有高能量和高功率密度，是任何現(xiàn)有電池設(shè)計(jì)都無(wú)法比擬的。
材料科學(xué)與工程教授 Paul Braun(Grainger 工程杰出教席，材料研究實(shí)驗(yàn)室主任)，Sungbong Kim 博士(博士后，MatSE，現(xiàn)任韓國(guó)軍事學(xué)院助理教授，共同第一作者)和 Arghya Patra(研究生， MatSE，MRL，共同第一作者)最近在Cell Reports Physical Science上發(fā)表了論文“Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries” 。
該團(tuán)隊(duì)展示了密封(緊密關(guān)閉以防止暴露在環(huán)境空氣中)、耐用、緊湊的鋰電池，具有極低的包裝質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用單層、雙層和三層堆疊配置，具有前所未有的工作電壓、高功率密度和能量密度。
Braun 解釋說(shuō)：“我們需要功能強(qiáng)大的微型電池，通過(guò)改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)和提出創(chuàng)新的電池設(shè)計(jì)來(lái)釋放微型設(shè)備的全部潛力。” 問(wèn)題在于，隨著電池變得越來(lái)越小，封裝決定了電池的體積和質(zhì)量，而電極面積卻越來(lái)越小。這導(dǎo)致電池的能量和功率急劇下降。
在他們獨(dú)特的強(qiáng)大微電池設(shè)計(jì)中，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新穎的封裝技術(shù)，將正極和負(fù)極端子集電器用作包裝本身的一部分(而不是單獨(dú)的實(shí)體)。這允許緊湊的體積 (? 0.165 cm 3 ) 和低封裝質(zhì)量分?jǐn)?shù) (10.2%) 的電池。此外，他們將電極電池串聯(lián)垂直堆疊(因此每個(gè)電池的電壓相加)，從而實(shí)現(xiàn)了電池的高工作電壓。
改進(jìn)這些微電池的另一種方法是使用非常致密的電極來(lái)提供能量密度。普通電極幾乎有 40% 的體積被聚合物和碳添加劑(非活性材料)占據(jù)。Braun 的團(tuán)隊(duì)通過(guò)中溫直接電沉積技術(shù)生長(zhǎng)出完全致密且不含聚合物和碳添加劑的電極。這些完全致密的電極比商業(yè)電極提供更高的體積能量密度。本研究中的微電池是使用 Xerion Advanced Battery Corporation(XABC，俄亥俄州代頓市)制造的致密電鍍 DirectPlate TM LiCoO 2電極制造的，該公司是從 Braun 的研究中分離出來(lái)的。
Patra 提到，“迄今為止，微納米尺度的電極結(jié)構(gòu)和電池設(shè)計(jì)僅限于以孔隙率和體積能量密度為代價(jià)的功率密集設(shè)計(jì)。我們的工作已經(jīng)成功地創(chuàng)造了一種微型能源，展示了高功率密度和體積能量密度?！?/p>
這些微型電池的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域包括為昆蟲大小的微型機(jī)器人提供動(dòng)力，以便在自然災(zāi)害、搜索和救援任務(wù)以及人類無(wú)法直接訪問(wèn)的危險(xiǎn)環(huán)境中獲取有價(jià)值的信息。合著者 James Pikul(賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授)指出，“高壓對(duì)于減少微型機(jī)器人需要攜帶的電子有效載荷很重要。9 V 可以直接為電機(jī)供電并減少與某些執(zhí)行器所需的將電壓升高到數(shù)百或數(shù)千伏特相關(guān)的能量損失。
Kim 補(bǔ)充說(shuō)：“我們的工作彌合了材料化學(xué)、能量密集平面微電池配置的獨(dú)特材料制造要求以及需要高壓板載電源來(lái)驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器和應(yīng)用的納米微電子學(xué)等交叉領(lǐng)域的知識(shí)鴻溝。微電機(jī)。”
電池小型化領(lǐng)域的先驅(qū) Braun 總結(jié)道，“我們目前的微型電池設(shè)計(jì)非常適合高能量、高功率、高電壓、單次放電的應(yīng)用。下一步是將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為所有固態(tài)微電池平臺(tái)，本質(zhì)上比液態(tài)電池更安全、能量密度更高的電池。”
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