科學家研究出新型電池,有望解決穿戴設備的電源問題

2020-12-14 嶽悅於世

科技的進步將我們身上穿戴的眼鏡、手錶、項鍊等物品的名字前加上了「智能」二字,就連以前用來打電話發簡訊的手機也變成了智慧型手機。智能設備確實功能更加齊全,不過智能化就更加便利了嗎?別的不清楚,至少在充電這點不是。

現在主流的鋰電池續航能力也只有幾天,而且穿戴設備一般體積較小,鋰電池的能量密度決定它的體積佔比小不了。核電池雖然能量密度大,但是談「核」色變。那如何解決現在的智能穿戴設備的電池問題?鋰電池的下一代是什麼?就有科學家提出「可列印柔性電池」的概念。

可列印柔性電池?

現在柔性電池並不是科學家們解決設備供電問題的概念了,加州大學研究人員已經將它造出,使用3D印表機生產出了極其微小的鋅電池顆粒。當然也有很多種材料,研究領域碳纖維和石墨烯比較受歡迎,但是目前在電池製造領域鋅電池更符合要求(比如成本並不是特別高)。

那既然是鋰電池的接班人在供電性能上自然要更勝一籌,首先從金屬角度看鋅比鋰更加穩定,更不容易發生化學反應,這就增強了電池反覆充電的能力。然後就是電解過程,鋅會呈現出像樹枝一般的形態,從一個電極蔓延到另外一個電極,這減少了不必要的耗電量,續航時間更長。

最後就是柔韌度,並不是其他金屬不能做柔性電池,只是在做電池柔韌度測試時發現,其他電池在經歷1000次左右的彎曲後折斷,而鋅電池還保持保持穩定的柔韌度。折斷放在電池上後果可能是材料磨損和電解質洩露引發的安全問題。

最新進展

柔性電池的能量密度能有多高?近日,科學家為柔性設備開發出了一種實驗性質的化學電池,據說能量密度是當前鋰離子的 10 倍。這項研究中提到的電池是一種稱為氧化銀鋅的化學電池。

其實考慮到能量密度和安全性能,氧化銀鋅電池一直是研究重點。電池的陰極使用氧化鉛塗層,可以改善電池的電化學穩定性和導電性,並降低電池對交流電的抵抗力。但是這項技術為什麼沒有被廣泛應用呢?成本方面就不說了,技術方面則是不穩定點循環(電池壽命短)。

那這次研究又有什麼突破呢?研究人員這次採用的方法是絲網印刷氧化銀-鋅電池,並且在無菌、真空條件下將印刷出的單元電池裝配在一起,這就解決了電池不穩定循環的問題。經過實驗研究人員找到了列印用的「墨水配方」,將電池的集電器、鋅陽極、新陰極和隔板逐層絲網印刷在化學穩定的聚合物膜上,該膜的熔點約為200°C。

至於測試,已對印製的電池單元進行了80多個循環的充電,而顯示出任何明顯的容量損失跡象。儘管反覆彎曲和扭曲,單元電池也保持正常的功能。經對比,如果這種電池用於智能穿戴設備,可以提供比同等大小的典型鋰離子電池多5至10倍的功率。

這項研究發表在《焦耳》雜誌上。

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