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新型无包装设计使微电池的能量密度提高四倍

发布2021年8月10日

通过支持无线的电子设备变得更小,更普遍存在,他们的设计人员必须不断地找到电池的方法,以在更少的空间内存储更多电力。因为这些设备也越来越多地移动 - 以可穿戴设备,机器人和更多的形式 - 这些电池必须更轻,同时仍然能够承受日常生活的颠簸和瘀伤。更糟糕的是,由于电池变小,能量密度令人指重难以改善,部分是因为必须致力于保护包装的电池足迹的较大部分。

考虑到这一挑战,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。

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:今日Penn Engineering

研究人员的关键发展是一种新型的集电器和阴极必威刀塔亚洲联赛,增加了储存能量的材料的一部分,同时用作保护壳。这减少了对非导电包装的需求,这些封装通常可以保护电池的敏感内部化学品。

“我们基本上制作了持续的收集者,表现为双重职责,”詹姆斯·皮克尔他是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,也是这项研究的带头人。“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。”

额外的空间效率导致能量密度为当前最先进的微滴乳的四倍。研究人员的Micropattery Dements携带昆虫足够轻的光线,为较小的飞行微机器开辟门,植入的医疗器械,具有更长的寿命和各种其他不可能的物质设备。

昆虫长期以来一直是微小机器人的灵感,但高功率要求在很大程度上将这些机器保存在实验室中。

这项研究发表在杂志上先进的材料该项目由Pikul、实验室博士后学者Yue Xiujun、伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系教授Paul Braun和Xerion先进电池公司研发总监John Cook领导。

电池以化学键的形式储存能量,在那些粘合破裂时释放能量。正常运行,只有在需要电源时,必须发生这种反应,但是必须快速反应以提供有用的电流量。

为了解决这些要求的后半部分,微滴漏具有历史上所需的薄电极。这种薄度允许更多的电子和离子快速地通过电极移动,但这是难以储存的化学品和难以制造的复杂设计的成本。

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,我们将阴极直接从熔盐浴中存放,”库克说,“这对传统阴极具有巨大的优势,因为我们几乎没有孔隙度,或空气差距。”

“这个过程也对准阴极的”原子高速公路“,”Pikul说,“意味着锂离子可以通过阴极最快,最直接的路线移动到设备中,提高微滴漏的功率密度,同时保持高能量密度。”

这些重新设计的组件在运输离子时是如此有效,即它们可以使它们足够厚,以使能量储存化学品的量加倍,而不会牺牲实际为它们连接的器件实际供电所需的速度。结合新的包装,这些微型薄膜具有电池的能量和功率密度,百倍较大,同时仅称重两种米粒。

研究人员将继续学习可以调整的化学和物理特征,以进一步提高性能,同时还建立可穿戴设备和微型机器,从而利用这些新电源。

来源:宾夕法尼亚大学

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