Credit:CC0 Public Domain用于便携式和医疗电子设备等微型设备的薄膜锂离子电池可能会提供相对于其质量而言相当大的电量，但由于其尺寸有限，无法为许多设备提供足够的电力。研究人员引入了一种制造工艺，利用光刻和电沉积技术，用厚的3D电极构建微电池，并将每个单元密封在充满凝胶电解质的封装中。研究人员说，新原型显示了所有报道的微电池中最高的pea k功率密度。这项由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后研究员孙鹏程和材料科学与工程教授保罗·布劳恩领导的新研究发表在《高级材料》杂志上。
研究人员说，大多数微电池都有非常薄、平坦的阳极和阴极，这对节省空间很有帮助，但不能满足当今技术的无线传输需求。
“答案似乎是使用更厚的电极，这可以在有限的足迹上容纳更多的能量，但这只会增加离子和电子必须行进的路径，从而降低功率，”孙说。“使用充满液体电解质的3D多孔电极可以缩短这一路径，但封装这种微电池极具挑战性。”
该团队表示，有一项研究使用压印光刻技术构建了一种3D微电池，该电池使用液体电解质实现了高峰值功率，但该示例的性能是在实验室条件下从未密封的电池中测量的。
在新的研究中，该团队开发了一种独特的毛细管填充工艺，可以将凝胶电解质填充到3D多孔电极中，使微电池的气密封装成为可能。
布劳恩说:“使用更厚的凝胶电解质而不是液体给了我们更多的控制力。“电解液的凝胶特性让我们有更多时间密封电池，而电解液不会溢出。而且，默认情况下，这种凝胶也有助于更安全的锂离子电池，因为它不太可能泄漏，而这在液态电解质填充的锂离子电池中可能是一个问题。”
研究人员表示，新封装的电池单元具有高能量和功率密度，分别为1.24焦耳/平方厘米和75.5毫瓦/平方厘米，比目前可用的电池单元好10倍左右。电池在正常条件下可循环200次，初始放电容量保持在75%。研究报告称，使用液态电解质，新电池提供了更高的功率密度，每平方厘米218毫瓦，显示出进一步改进的潜力。
为当今微型设备供电的电池具有非常薄的电极，可以节省空间，但却无法提供当今无线技术所需的冲击力。作为回应，伊利诺伊州博士后研究员孙鹏程和他的同事开发了一种使用不同材料和制造技术制造更强大微电池的方法。孙说:“我们的微型电池可以提供132天的微型自动电源。“这是基于一个合理的假设，即这种类型的设备在待机模式下消耗5微瓦，在数据传输期间消耗5毫瓦，此时待机时间为100秒，传输时间为10毫秒。”
该团队表示，这项研究中使用的制造和封装技术可以加速具有复杂3D电极配置的高性能固态微尺度存储器件的发展。
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