科學(xué)家探索微型電池設(shè)計(jì)：可存儲(chǔ)4倍能量

熱管理 2021-08-24

電池研究前沿之一就是利用結(jié)構(gòu)部件來(lái)存儲(chǔ)能量。目前這種創(chuàng)意已經(jīng)作為一種減輕重量的方式，開(kāi)始裝備在電動(dòng)汽車(chē)和士兵裝備上。現(xiàn)在，科學(xué)家將這個(gè)概念應(yīng)用于微型電池上，其重量輕到可以讓昆蟲(chóng)攜帶，而能量密度是傳統(tǒng)電池的 4 倍。

這項(xiàng)研究由賓夕法尼亞大學(xué)的工程師進(jìn)行的，他們正在研究新的電池設(shè)計(jì)，這些電池足夠緊湊和耐用，可以為越來(lái)越小的可穿戴設(shè)備和電子設(shè)備供電。為了保持這些類(lèi)型的設(shè)備運(yùn)行，電池需要受到保護(hù)，以免受到撞擊、水和氧氣的損害，但這涉及到增加其重量和尺寸的外殼，同時(shí)對(duì)其電化學(xué)性能毫無(wú)幫助。

為了克服這一限制，科學(xué)家們重新設(shè)想了微型電池的典型設(shè)計(jì)方式。這些設(shè)備通常具有超薄的電極，允許電子和離子的快速傳輸，但這種超薄的外形限制了它們可以包含的化學(xué)品數(shù)量，因此也限制了它們可以儲(chǔ)存的能量。

在電池的陰極，通常由粉狀的顆粒組成，這些顆粒被壓縮在一起，形成一個(gè)帶有空氣間隙的多孔結(jié)構(gòu)，這影響了離子在電池中的移動(dòng)速度。科學(xué)家們通過(guò)開(kāi)發(fā)一種密度大得多的陰極材料來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題，這種材料可以直接"電鍍"到薄金屬箔上，而金屬箔也可以作為外殼。

研究負(fù)責(zé)人詹姆斯-皮庫(kù)爾（James Pikul）說(shuō)：“我們基本上制造了執(zhí)行雙重任務(wù)的電流收集器。"它們既作為電子導(dǎo)體，又作為防止水和氧氣進(jìn)入電池的包裝”。

據(jù)研究人員說(shuō)，這種微型電池的設(shè)計(jì)也使陰極的"原子高速公路"保持一致，這使得鋰離子能夠快速直接通過(guò)陰極并進(jìn)入設(shè)備。因?yàn)殡x子可以更有效地通過(guò)陰極，所以它可以做得更厚而不影響這一關(guān)鍵屬性，這反過(guò)來(lái)又使它可以包含的儲(chǔ)能化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加了一倍。

最終，這使得微型電池的能量密度是目前最先進(jìn)設(shè)計(jì)的四倍。這種微型電池的重量與兩粒米相同，但其能量和功率密度是其體積的 100 倍，研究人員認(rèn)為它可以在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。這些領(lǐng)域包括微型飛行機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、提供更長(zhǎng)壽命的醫(yī)療植入物，或構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)數(shù)無(wú)線設(shè)備。