研究人员开发出具有超常能量和功率密度的高电压微电池

在电子领域一个持续的技术挑战是难以将大尺寸电池的电化学性能缩减到更小的、微尺度的电源，这阻碍了它们为微型设备、微型机器人和植入式医疗设备供电的能力。然而，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员已经克服了这一挑战，开发了一种高压微型电池（>9V），具有特殊的能量和功率密度，是任何现有电池设计所无法比拟的。

图像描述了在危险环境中工作的微型机器人

材料科学与工程教授Paul Braun（Grainger杰出工程讲座教授，材料研究实验室主任）、Sungbong Kim博士（MatSE博士后，现任韩国军事学院助理教授，共同第一作者）和Arghya Patra（MatSE研究生，MRL，共同第一作者）最近在Cell Reports Physical Science上发表了一篇论文，详细介绍了他们的发现。

该团队展示了密封（紧闭以防止暴露在环境空气中）、耐用、紧凑的锂电池，其在单层、双层和三层堆叠配置中的封装质量分数特别低，具有前所未有的工作电压、高功率密度和能量密度。

Braun解释说："我们需要强大的微型电池，通过改进电极结构和提出创新的电池设计，释放出微尺度设备的全部潜力。问题是，随着电池变得更小，包装主导了电池的体积和质量，而电极面积变得更小。这导致电池的能量和功率急剧下降。"

在他们独特的强大微型电池设计中，该团队开发了新颖的封装技术，将正负极电流收集器作为封装本身的一部分（而不是一个单独的实体）。这使得电池的体积紧凑（≤0.165立方厘米），包装质量分数低（10.2%）。此外，他们垂直地将电极电池串联起来（因此每个电池的电压都会增加），这使得电池的工作电压很高。

这些微型电池的另一种改进方式是使用非常密集的电极，提供能量密度。正常的电极几乎40%的体积被聚合物和碳添加剂（不是活性材料）占据。Braun的研究小组通过中温直接电沉积技术培育了完全致密的电极，没有聚合物和碳添加剂。这些完全致密的电极提供了比其商业同类产品更多的体积能量密度。这项研究中的微型电池是使用Xerion Advanced Battery Corporation（XABC，俄亥俄州代顿市）生产的致密电镀DirectPlateTM LiCoO2电极制造的，该公司是由Braun的研究衍生出来的。

Patra提到："迄今为止，微纳尺度的电极架构和电池设计一直局限于以孔隙率和体积能量密度为代价的功率密集型设计。我们的工作已经成功地创造了一个微尺度的能源，同时表现出高功率密度和体积能量密度。"

这些微型电池的一个重要应用空间包括为昆虫大小的微型机器人提供动力，以便在自然灾害、搜救任务以及人类无法直接进入的危险环境中获得有价值的信息。共同作者James Pikul（宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系助理教授）指出，"高电压对于减少微型机器人需要携带的电子有效载荷非常重要。9伏电压可以直接为电机供电，并减少与将电压提升到某些执行器所需的数百或数千伏电压有关的能量损失。这意味着这些电池能够在其能量密度提升之外实现系统级的改进，从而使小型机器人能够走得更远，或向人类操作员发送更多关键信息"。

Kim补充说："我们的工作弥补了材料化学、能量密集的平面微电池配置的独特材料制造要求以及需要高电压、机载型电源来驱动微执行器和微电机的应用纳米微电子学等方面的知识差距。"

Braun是电池小型化领域的先驱，他总结说："我们目前的微电池设计非常适合于高能量、高功率、高电压、单次放电的应用。下一步是将该设计转化为所有固态微电池平台，这些电池将比液态电池的同类产品更安全，能量密度更高。"