重量约为两粒大米，但具有更大、更重的电池的能量密度，研究人员的无包装设计可以实现许多其他不可能实现的电子产品。 图片来源：宾夕法尼亚大学

随着无线电子设备变得越来越小，越来越普遍，期设计者必须不断找到方法，让电池在更小的空间中存储更多的能量。同时，由于它们越来越多地被应用于可穿戴设备、机器人等移动设备，电池必须更轻，且能承受日常生活中的磕碰和擦伤。

棘手的是，随着电池体积越来越小，能量密度也变得越来越难提高。部分原因是电池的大部分空间必须用于保护包装。

考虑到这一挑战，美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一项新研究展示了一种新的方法来制造和封装微型电池，即使在最小的尺寸下也能使能量密度最大化。相关研究近日发表于《先进材料》。

研究人员的关键进展是一种新型的电流集电极和阴极，它增加了储存能量的材料的比例，同时起到保护外壳的作用。这就减少了对非导电封装的需求，而非导电封装通常可以保护电池内部敏感的化学物质。

“我们实际上制造了具有双重功能的电流收集器。”宾夕法尼亚大学工程学院机械工程和应用力学系的助理教授、该研究负责人James Pikul说，“它们既是电子导体，也是防止水和氧气进入电池的包装材料。”

这种额外的空间效率使得其能量密度是目前最先进的微电池的4倍。研究人员的微电池设计足够轻，可以由昆虫携带，为更小的飞行微型机器人、寿命更长的植入医疗设备以及各种其他不可能用于物联网的设备打开了大门。

电池以化学键的形式储存能量，当化学键断裂时释放能量。为了正常工作，这种反应必须只在需要电力时发生，但随后必须反应足够迅速，以提供有用的电流。

为了满足后一半的要求，微电池历来都需要薄电极。这种厚度允许更多的电子和离子在电极间快速移动，但这是以较低的储能化学物质和难以制造的复杂设计为代价的。

研究人员开发了一种新的制造电极的方法，使电极既厚又能快速传输离子和电子。传统的阴极是由压缩在一起的压碎的粒子组成的，这一过程导致电极之间有很大的空间，以及一个随机的内部结构，使离子在电池中移动的速度变慢。

“相反，我们直接从熔融盐浴中沉积阴极。”研究共同作者、Xerion先进电池公司研发总监John B. Cook说，“这使我们比传统阴极具有巨大的优势，因为我们的阴极几乎没有孔隙或空气间隙。”

“这个过程也使阴极的‘原子高速公路’对齐，这意味着锂离子可以通过阴极最快、最直接的路径进入设备，在保持高能量密度的同时提高微电池的功率密度。”Pikul说。

这些重新设计的组件在传输离子方面非常高效，它们可以制成足够厚的材料，使储存能量的化学物质的数量增加1倍，而不会牺牲为它们所连接的设备供电所需的速度。结合这种新型包装，微型电池的能量和功率密度是普通电池的100倍，而重量只有两粒大米。

研究人员将继续研究化学和物理特性，以进一步提高性能，同时还将制造利用这些新能源的可穿戴设备和微型机器人。（来源：中国科学报 冯维维）

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202101760