科学家做到了!重约两粒米的微电池，能量密度翻了四倍

随着电子产品变得越来越小、越来越普遍，设计人员必须不断寻找新的方法让电池在更小的空间内可以储存更多的电力。而且由于这些设备的移动性也越来越强，以可穿戴设备、机器人等的形式出现，这些电池必须更轻，同时仍能承受日常生活中的颠簸和擦伤。

这对技术上来说，是存在极大的难处的，随着电池体积变小，能量密度需要提高的量级是呈指数级增长，部分原因是电池占用空间的较大部分必须用于保护性包装。

考虑到这一挑战，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的新研究展示了一种构建和封装微电池的新方法，即使在最小尺寸下也能最大限度地提高能量密度。

重约两粒米，但具有更大、更重电池的能量密度，研究人员的无包装设计可以实现许多原本不可能的电子产品。：PennEngineeringToday

研究人员的关键发展是一种新型集电器和阴极，它增加了储存能量的材料比例，同时充当保护壳。这减少了对通常保护电池敏感内部化学品的非导电包装的需求。

“我们基本上制造了具有双重功能的集电器，”宾夕法尼亚大学工程机械工程和应用力学系助理教授、该研究的负责人詹姆斯皮库尔说：“它们既是电子导体，也是防止水和氧气进入电池的包装。”

这种额外的空间效率产生的能量密度是当前最先进的微型电池的四倍。研究人员的微型电池设计轻到足以被昆虫携带，为小型飞行微型机器人、寿命更长的植入式医疗设备以及各种原本不可能的物联网设备打开了大门。

该研究发表在《先进材料》杂志上，由Pikul、他实验室的博士后学者岳秀军、伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校材料科学与工程系教授PaulBraun和JohnCook领导，XerionAdvancedBatteryCorp研发总监

电池以化学键的形式储存能量，当这些键断裂时释放能量。为了正常工作，这种反应必须只在需要电力时发生，但必须足够迅速地反应以提供有用的电流量。

为了满足这些要求的后半部分，微电池历来需要薄电极。这种薄度允许更多的电子和离子快速通过电极，但代价是储存能量的化学物质更少，而且设计复杂，难以制造。

研究人员开发了一种制造电极的新方法，使它们变厚，同时还允许快速离子和电子传输。传统的阴极由压在一起的压碎颗粒组成，这一过程会导致电极之间产生很大的空间，并且内部结构随机，当离子通过电池时会减慢它们的速度。

“相反，我们直接从熔盐浴中沉积阴极，”库克说，“这使我们比传统阴极具有巨大优势，因为我们的阴极几乎没有孔隙或气隙。”

这个过程还调整了阴极的‘原子高速公路’，这意味着锂离子可以通过最快、最直接的路径穿过阴极进入设备，提高微电池的功率密度，同时保持高能量密度。

这些重新设计的组件在传输离子方面非常有效，以至于它们可以做得足够厚，可以将储能化学物质的数量增加一倍，而不会牺牲实际为它们所连接的设备供电所需的速度。结合新的包装，这些微型电池的能量和功率密度比电池大一百倍，而重量只有两粒米。

研究人员将继续研究可以调整以进一步提高性能的化学和物理特征，同时还构建利用这些新电源的可穿戴设备和微型机器人。