重量大约相当于两粒大米，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一系列原本不可能实现的电子产品。功劳:宾夕法尼亚工程今天，随着无线电子设备变得越来越小，越来越普遍，它们的设计者必须不断地寻找方法，让电池在更小的空间里储存更多的能量。因为这些设备的移动性也越来越高——以可穿戴设备、机器人等形式——这些电池必须更轻，同时还能承受日常生活中的颠簸和擦伤。更糟糕的是，随着电池变得越来越小，能量密度也越来越难以提高，部分原因是电池更大的面积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和应用科学学院的新研究显示了一种构建和封装微电池的新方法，即使在最小的尺寸下也能最大化能量密度。
研究人员的主要发展是一种新型的集流体和阴极，这种集流体和阴极增加了储存能量的材料的比例，同时还起到了保护壳的作用。这减少了对通常保护电池内部敏感化学物质的非导电包装的需求。
“我们基本上制造了双重功能的电流收集器，”詹姆斯·皮库尔说，他是宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系的助理教授，也是这项研究的领导者。“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导致的能量密度是目前最先进的微电池的四倍。研究人员的微电池设计足够轻，可以被离子发射器携带，为更小的飞行微型机器人、更长寿命的植入式医疗设备以及各种其他不可能的物联网设备打开了大门。
这项研究发表在《先进材料》杂志上，由他实验室的博士后学者皮库尔·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保罗·布劳恩和Xerion高级电池公司R&D主任约翰·库克领导
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，这种反应必须仅在需要电力时发生，但必须足够迅速地反应以提供有用的电流量。
为了满足后一半的要求，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穿过电极，但这是以储存能量的化学物质较少和难以制造的复杂设计为代价的。
研究人员开发了一种制造电极的新方法，使电极变得更厚，同时允许快速的离子和电子传输。传统的阴极由压缩在一起的粉碎颗粒组成，这一过程会导致电极之间的大空间和随机的内部配置，从而减缓离子在电池中的移动。
“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的优势，因为我们的阴极几乎没有孔隙或空气间隙。”
“这一过程也使阴极的‘原子高速公路’对齐，”Pikul说，“这意味着锂离子可以通过最快、最直接的路线穿过阴极进入器件，从而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高效，以至于它们可以做得足够厚，使储能化学物质的量增加一倍，而不会牺牲为它们所连接的设备实际供电所需的速度。加上新的包装，这些微电池的能量和功率密度是电池的100倍，而重量只有两粒大米那么重。
研究人员将继续研究可以调整的化学和物理特性，以进一步提高性能，同时还将构建可穿戴设备和微型机器人，利用这些新的电源。
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