新的3D微型电池可满足行业标准的薄膜同类产品赵静怡

2022-10-20

新的3D微型电池可满足行业标准的薄膜同类产品

用于微型设备的薄膜锂离子电池可能会提供相对于其质量的大量电能，但由于尺寸有限，无法为许多设备提供足够的电能。

研究人员介绍了一种制造工艺，该工艺可以使用光刻和电沉积技术用厚的3D电极构建微型电池，并将每个单元密封在填充有凝胶电解质的包装中。研究人员说，新的原型机显示了所有报道的微型电池中最高的峰值功率密度

由伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的博士后研究员Pengcheng Sun和材料科学与工程教授Paul Braun领导的这项新研究发表在《先进材料》杂志上。

研究人员说，大多数微型电池的阳极和阴极非常薄且扁平，这对于节省空间非常有用，但不能满足当今技术的无线传输需求。

Sun表示：“答案似乎是使用更厚的电极，该电极可以在有限的占地面积上容纳更多的能量，但仅此一项，只会增加离子和电子必须传播的途径，从而降低功率。” “使用填充有液体电解质的3D多孔电极可以缩短该路径，但是封装此类微型电池极具挑战性。”

该团队表示，有一项研究使用压印光刻技术来构建3D微电池，该3D微电池使用液体电解质实现了高峰值功率，但是该示例的性能是在实验室条件下使用未密封的电池测得的。

在这项新研究中，研究小组开发了一种独特的毛细管填充工艺，该工艺可以将凝胶电解质填充到3D多孔电极中，从而使微电池的气密包装成为可能。

布劳恩说：“使用较厚的凝胶电解质代替液体可以使我们有更多的控制权。” “电解液的凝胶性质使我们有更多的时间密封电池而不会溅出电解液。而且，默认情况下，凝胶还可以使锂离子电池更安全，因为它不太可能泄漏，这可能是因为液体电解质填充的锂离子电池出现问题。”

研究人员说，新包装的电池具有高能量密度和高功率密度，分别为每平方厘米1.24焦耳和每平方厘米75.5毫瓦，这比目前的电池密度高约十倍。在正常条件下，电池可以循环200次，并保持初始放电容量的75％。研究报告称，使用液体电解质，新电池可提供更高的功率密度，每平方厘米218毫瓦，显示出进一步改进的潜力。

当今为微型设备供电的电池具有非常薄的电极，可以节省空间，但是却不能满足当今无线技术的需求。作为回应，伊利诺伊州的博士后研究员孙鹏程和他的同事们已经开发出一种使用不同的材料和制造技术制造功能更强大的微型电池的方法。

Sun表示：“我们的微型电池可以提供132天的微型自动电源。” “这是基于合理的假设，即当待机时间为100秒且传输时间为10毫秒时，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。”

研究小组表示，这项研究中使用的制造和封装技术可以加快具有复杂3D电极配置的高性能固态微型存储设备的开发。

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