微電池有顆納米芯 充電時(shí)間更短性能更出色

賴(lài)斯大學(xué)發(fā)明的這種納米結構的鋰電池與現在通用的鋰電池相比，充電更迅速、電力也更充足。右側的透射電鏡圖顯示，納米線(xiàn)被一種PMMA的多聚體包裹著(zhù)。（圖片來(lái)源：賴(lài)斯大學(xué)Ajayan實(shí)驗室）

美國賴(lài)斯大學(xué)的科學(xué)家最近在微電池制造方面邁出了重要的一步，他們研發(fā)出一種結實(shí)的立體微電池，這種電池比普通的鋰電池充電時(shí)間更短，其他性能也更為出色。這項成果可能為遙感、顯示屏、智能卡、柔性電子器件以及生物醫學(xué)設備等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的突破。

這種電池里有著(zhù)垂直排列的鎳—錫納米線(xiàn)，這些納米線(xiàn)外面均勻地包裹著(zhù)一種叫做PMMA的多聚體材料，也就是我們俗稱(chēng)的有機玻璃。PMMA“外衣”能夠讓超薄電解質(zhì)層穩定地環(huán)繞在納米結構材料周?chē)?，從而使這項存在已久的難題終于得到了解決。

賴(lài)斯大學(xué)的Pulickel Ajayan及其實(shí)驗室成員花了一年多的時(shí)間，找到了一種可靠的方法，能夠將單根納米線(xiàn)裹上一層平滑的PMMA基膠質(zhì)電解質(zhì)。PMMA的主要作用是絕緣，當電流通過(guò)時(shí)，它能保護里面的納米線(xiàn)不受反電極的影響。研究者的這項工作在線(xiàn)發(fā)表在本周出版的《納米快報》（Nano Letters）雜志上。

“在普通的電池里，通常會(huì )有一個(gè)很厚的隔離物將兩個(gè)電極隔開(kāi)?！痹撔C械工程與材料化學(xué)教授A(yíng)jayan說(shuō)，“如果能將電池里的東西挨得盡可能近，就可以大大提高電化學(xué)效率。但這一直是個(gè)很大的挑戰?！?/p>

Ajayan和他的同事認為，解決這個(gè)問(wèn)題的敲門(mén)磚，應該是開(kāi)發(fā)涂層納米線(xiàn)。應用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的具有伸縮性的微型器件，將會(huì )比普通的薄膜電池具有更大的表面積?！安贿^(guò)說(shuō)句公道話(huà)，你不能用厚度來(lái)評判薄膜電池的好壞，因為這關(guān)系到鋰離子動(dòng)力學(xué)的速度快慢?！盇javan說(shuō)。

“我們想弄清怎樣把用3D技術(shù)設計出來(lái)的電池落實(shí)到納米級別的實(shí)物上?！盇jayan實(shí)驗室的研究生Sanketh Gowda說(shuō)，“通過(guò)提高納米線(xiàn)的高度，我們可以在不改變鋰離子擴散距離的同時(shí)，提高電池的儲能量?！?/p>

“說(shuō)實(shí)話(huà)，這種電池的3D概念設計早就出來(lái)了?！毖芯康膸ь^人之一Arava Leela Mohana Reddy表示，“但是技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)際操作中，人們究竟能否給一段較長(cháng)的納米線(xiàn)裹上一層完美的PMMA外衣。即使一個(gè)很小的失誤也會(huì )導致全盤(pán)失敗?！?/p>

這項實(shí)驗主要基于去年該實(shí)驗室發(fā)表在《納米快報》上的一項研究，當時(shí)研究小組研發(fā)出了一種共軸的納米線(xiàn)電纜。

而在這項新的研究中，研究者使用電極沉積的方法，在一塊陽(yáng)極氧化鋁模具的孔中造出了一條10微米長(cháng)的納米線(xiàn)。然后他們使用簡(jiǎn)單的化學(xué)蝕刻技術(shù)將模具上的孔擴大，并注入PMMA材料，將孔中的整條納米線(xiàn)均勻地包裹起來(lái)。最后研究者用化學(xué)方法將成品從模具上洗了下來(lái)。

研究小組用這種納米線(xiàn)造出了面積為1平方厘米的微電池，這種電池比相同電極距離的平板電池儲能更多、充電更快?！半姵厥橇Ⅲw的，因此在同樣的距離下能夠傳輸更多的能量?！盙owda說(shuō)。

研究小組還發(fā)現，有了PMMA“外衣”，電池的可充電次數也會(huì )增多，因為它能夠使納米線(xiàn)和液體電解質(zhì)之間的隔離環(huán)境更加穩定。

最后，研究人員還驗證了電池中另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。比如硅電極，它會(huì )隨著(zhù)鋰離子的來(lái)回流動(dòng)出現膨脹和收縮的現象，長(cháng)時(shí)間體積的變化會(huì )損壞電極。那么這種循環(huán)效應對納米線(xiàn)新電池的影響又如何呢？

電子顯微圖像顯示，納米線(xiàn)在經(jīng)過(guò)了多次的充放電循環(huán)后，PMMA薄膜并沒(méi)有出現破損的情況，甚至連一個(gè)小針眼都沒(méi)有。研究人員認為包膜技術(shù)能夠抵抗住電極體積的擴大，從而延長(cháng)了電池的壽命。