3-D電池將電力封裝成微小的足跡

電池可能看起來像你可以想象的各種形狀和大小。但隨著電子設(shè)備變得更加纖薄和更薄，而不降低其功率和能量需求，他們要求工程師設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)越來越小的空間而不影響性能的電池。美國的研究人員使用非傳統(tǒng)技術(shù)來設(shè)計(jì)一種可能的解決方案 - 一種功能強(qiáng)大的3D鋰離子電池，其足跡大約為一百粒鹽。

“對(duì)于小型傳感器，你需要將電池重新設(shè)計(jì)成紐約的摩天大樓，而不是加利福尼亞州的牧場，”資深作者，加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程教授Bruce Dunn說。洛杉磯(UCLA)。“這就是3D電池的作用，我們可以使用半導(dǎo)體處理和保形電解質(zhì)來制造兼容小型互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的產(chǎn)品。”

即使是最具創(chuàng)新性的二維電池也只能采用它們可以承受的形狀 - 基本電池需要一片陽極和一片陰極，并在兩者之間包含一個(gè)離子傳導(dǎo)電解質(zhì)來完成電路。另一方面，原則上存在無數(shù)種方式來制造3D陽極和3D陰極，其像拼圖一樣(仍然必須由少量電解質(zhì)分開)折疊在一起。Dunn集團(tuán)選擇的設(shè)置被稱為“同心管”設(shè)計(jì)，其中均勻間隔的陽極柱陣列由可光圖案化的聚合物電解質(zhì)的薄層均勻覆蓋，并且柱之間的區(qū)域填充有陰極材料。 。

盡管如此簡單，但許多研究人員只能制造一半的3D電池，創(chuàng)造出自身穩(wěn)定的陽極和陰極，但在嘗試將這些電極組裝成一個(gè)功能電池時(shí)卻失敗了。同時(shí)，幾乎所有已組裝的3D電池都沒有明顯優(yōu)于普通的二維版本。Dunn和博士后學(xué)者Janet Hur和Leland Smith通過采用通常用于制造半導(dǎo)體的方法克服這些障礙，并修改它們以將硅雕刻成他們想要用于陽極的精確間隔的氣缸網(wǎng)格。“這是電池世界不做的事情，”鄧恩說。

為了完成電池，他們在硅結(jié)構(gòu)上涂上薄薄的電解質(zhì)并倒入標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子陰極材料中，使用陽極作為模具，確保兩半恰好合在一起。由此產(chǎn)生的電池實(shí)現(xiàn)了每平方厘米5.2毫瓦時(shí)的能量密度，是3D電池的最高報(bào)告，同時(shí)占用0.09平方厘米的微小空間并經(jīng)受100次充電和放電循環(huán)。

鄧恩提醒說，這款3D電池尚未充分發(fā)揮其潛力，因?yàn)樗Ｍ退膱F(tuán)隊(duì)能夠通過進(jìn)一步調(diào)整電池組件和組裝來提高其能量密度。“電池的另一個(gè)挑戰(zhàn)始終是包裝，”他補(bǔ)充道。“你需要密封它們，保持它們小，并確保它們在真實(shí)世界中的功能與手套箱中一樣好。”