新穎的設(shè)計有助于開發(fā)強大的微電池

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長期存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，限制了電池為微型設(shè)備、微型機器人和植入式醫(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)計都無法比擬的。

材料科學(xué)與工程教授 Paul Braun(Grainger 工程杰出教席，材料研究實驗室主任)，Sungbong Kim 博士(博士后，MatSE，現(xiàn)任韓國軍事學(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” 。

該團隊展示了密封(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：“我們需要功能強大的微型電池，通過改進電極結(jié)構(gòu)和提出創(chuàng)新的電池設(shè)計來釋放微型設(shè)備的全部潛力?！? 問題在于，隨著電池變得越來越小，封裝決定了電池的體積和質(zhì)量，而電極面積卻越來越小。這導(dǎo)致電池的能量和功率急劇下降。

在他們獨特的強大微電池設(shè)計中，該團隊開發(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(而不是單獨的實體)。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(因此每個電池的電壓相加)，從而實現(xiàn)了電池的高工作電壓。

改進這些微電池的另一種方法是使用非常致密的電極來提供能量密度。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 的團隊通過中溫直接電沉積技術(shù)生長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)計僅限于以孔隙率和體積能量密度為代價的功率密集設(shè)計。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?！?

這些微型電池的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域包括為昆蟲大小的微型機器人提供動力，以便在自然災(zāi)害、搜索和救援任務(wù)以及人類無法直接訪問的危險環(huán)境中獲取有價值的信息。合著者 James Pikul(賓夕法尼亞大學(xué)機械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授)指出，“高壓對于減少微型機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 補充說：“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特材料制造要求以及需要高壓板載電源來驅(qū)動微執(zhí)行器和應(yīng)用的納米微電子學(xué)等交叉領(lǐng)域的知識鴻溝。微電機。”

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)計轉(zhuǎn)化為所有固態(tài)微電池平臺，本質(zhì)上比液態(tài)電池更安全、能量密度更高的電池?！?