美國(guó)伊利諾伊大學(xué)研發(fā)新型鋰離子微電池

本刊 賈旭平

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種新型鋰離子電池技術(shù)，其功率密度達(dá)7.4mW/(cm2·μm)，這相當(dāng)于或超過(guò)了當(dāng)前最好的超級(jí)電容器的功率密度，而且與其他微型電池相比功率也提高了2000倍。據(jù)研究者稱(chēng)，這不單單是一次電池技術(shù)革命，更是一種新型的可轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的技術(shù)。它打破了電池的傳統(tǒng)模式，是一項(xiàng)全新的、與眾不同的技術(shù)。

目前，電池的能量存儲(chǔ)技術(shù)是功率與能量之間的折中，要么擁有夠多的功率，要么擁有夠多的能量，但是通常不能兩者兼得。超級(jí)電容器可以釋放非常大的功率，但是只能維持幾秒鐘。燃料電池雖然可以存儲(chǔ)更多的能量，但是其峰值功率輸出卻有限。這樣就會(huì)造成一些問(wèn)題：隨著科技的發(fā)展，當(dāng)前大多數(shù)現(xiàn)代、前沿應(yīng)用技術(shù)，如智能電話(huà)、可穿戴計(jì)算機(jī)、電動(dòng)車(chē)都要求電池既具有高功率，又具有高能量，而電池的續(xù)航能力長(zhǎng)久以來(lái)卻沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，大部分電池僅能維持?jǐn)?shù)小時(shí)的高強(qiáng)度使用。不僅如此，普通鋰電池的充電過(guò)程也相當(dāng)漫長(zhǎng)，動(dòng)輒一兩個(gè)小時(shí)，這使數(shù)碼設(shè)備的使用受到了限制。雖然鋰離子電池是目前為止最好的高功率、高能量電源解決方案，但是在制造新的電子設(shè)備時(shí)，即使是最好的鋰離子電池設(shè)計(jì)也必須在工業(yè)設(shè)計(jì)者和電子工程師之間做一些慎重的折中。

此次伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的電池技術(shù)與電容器相比不但擁有更高的功率密度，而且與目前同樣數(shù)量級(jí)的鋅鎳電池和鋰離子電池相比擁有相當(dāng)?shù)哪芰棵芏取?jù)報(bào)道，由于這種電池的功率和能量足夠強(qiáng)大，所以它能把設(shè)備的體積縮減30倍，還能幫助延長(zhǎng)廣播信號(hào)最高30倍。如果這還不能證明這項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)大，那么還有一點(diǎn)：該新型電池還是可充電型的，比傳統(tǒng)鋰離子電池充電速度快1000倍，只需數(shù)秒鐘便可充滿(mǎn)電。總之，這就像一種夢(mèng)一樣的電池技術(shù)。但是，該技術(shù)距離商業(yè)應(yīng)用還有一段距離，研究人員計(jì)劃把該技術(shù)整合到其他電子部件中，同時(shí)也在研究低成本的生產(chǎn)工藝。

這項(xiàng)電池技術(shù)的巨大進(jìn)步源自于一種全新的正負(fù)極結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池通常由兩維石墨負(fù)極和鋰鹽正極組成，他們都是固態(tài)的。伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的新型電池卻是多孔的三維納米正負(fù)極。由于電池的電極是小型指狀結(jié)構(gòu)，因此正負(fù)極可深入彼此，這樣就縮小了離子和電子的流通距離，并意味著能量的進(jìn)出可被非常迅速地傳遞。又因?yàn)檫@些多孔電極擁有非常大的表面積，所以在既定的空間內(nèi)會(huì)有更多的化學(xué)反應(yīng)參與進(jìn)來(lái)，這樣也能快速增強(qiáng)放電（功率輸出）和充電速度。雖然電極的表面積極大，但由這種電極制成的電池的整體體積又極小。

圖1 鋰離子微型電池的3D正極和負(fù)極

指狀交叉微型電極和電池的制作方法

采用傳統(tǒng)光刻法在1mm厚的鈉鈣硅玻璃襯底上制作指狀交叉金電極模板。將聚苯乙烯膠體組裝到襯底，并在電沉積鎳骨架之后，金電極可用3-巰基-1-丙磺酸鈉鹽單層功能化。在電沉積過(guò)程中，鎳會(huì)在水平和垂直方向同時(shí)生長(zhǎng)，可通過(guò)調(diào)整鎳沉積時(shí)間來(lái)精確控制每個(gè)電極的寬度和電極間距。之后，鎳錫合金再沉積到負(fù)極的鎳骨架上。接著，MnOOH被電沉積到正極的鎳骨架上。最后，在300℃下，襯底被浸漬在熔融鋰鹽LiNO3和LiOH中，以形成鋰錳氧化物。圖2為鋰離子微電池的制作過(guò)程示意圖。

目前，研究人員已經(jīng)采用這項(xiàng)技術(shù)制備了一種紐扣大小的微型電池。雖然與傳統(tǒng)SonyCR1620扣式電池相比，這種新型電池的性能非常卓越，但該電池的能量密度稍微低了一點(diǎn)，不過(guò)功率密度卻比傳統(tǒng)電池高出2000倍之多。圖3為微型電池與各類(lèi)傳統(tǒng)電池的能量密度和功率密度關(guān)系圖。

圖2 鋰離子微型電池的制作過(guò)程

圖3 微型電池與各類(lèi)傳統(tǒng)電池的能量密度和功率密度關(guān)系圖

鋰離子微型電池的前景

近些年，電池技術(shù)基本沒(méi)有什么太大的進(jìn)步。但是近十幾年，電子設(shè)備卻都在變小，而電池卻正好拖了電子設(shè)備小型化的后腿。微型電池技術(shù)可以改變所有的游戲規(guī)則。例如在個(gè)人醫(yī)療設(shè)備和身體植入物中，電池是一個(gè)至關(guān)重要的東西，因?yàn)樗枰c微型電子器件和線(xiàn)纜連接。雖然現(xiàn)在的鋰離子電池已經(jīng)足夠小，但是新型電池卻可以在同樣的空間內(nèi)儲(chǔ)存比當(dāng)前電池高30倍的能量，而且在相同的時(shí)間內(nèi)可提供比當(dāng)前電池高30倍的功率。因此，制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)需要選擇適合自身產(chǎn)品的電池最佳尺寸-持久力比。另外，該技術(shù)還可以與消費(fèi)電子設(shè)備聯(lián)合使用，使裝置的整體尺寸更小、質(zhì)量更輕，試想一下如果智能電話(huà)電池的厚度只有信用卡大小，而充電在幾秒鐘內(nèi)就會(huì)完成會(huì)怎樣？除了消費(fèi)電子領(lǐng)域以外，也許該電池技術(shù)還有更廣闊的應(yīng)用空間。在高功率應(yīng)用方面，可用在激光、醫(yī)療設(shè)備上。還能用在其它通常會(huì)使用超級(jí)電容器的領(lǐng)域，如F1賽車(chē)和快速再充電電動(dòng)工具。關(guān)于這些應(yīng)用領(lǐng)域，伊利諾伊大學(xué)的研究者必須首先證明該技術(shù)可用來(lái)制作較大的電池，且制作工藝不會(huì)太昂貴，這樣才不會(huì)阻止該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

鋰離子微型電池研究小組的帶頭人William P.King教授