美國伊利諾伊大學研發新型鋰離子微電池

本刊 賈旭平

美國伊利諾伊大學的研究人員最近開發了一種新型鋰離子電池技術，其功率密度達7.4mW/(cm2·μm)，這相當于或超過了當前最好的超級電容器的功率密度，而且與其他微型電池相比功率也提高了2000倍。據研究者稱，這不單單是一次電池技術革命，更是一種新型的可轉變為現實的技術。它打破了電池的傳統模式，是一項全新的、與眾不同的技術。

目前，電池的能量存儲技術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更多的能量，但是其峰值功率輸出卻有限。這樣就會造成一些問題：隨著科技的發展，當前大多數現代、前沿應用技術，如智能電話、可穿戴計算機、電動車都要求電池既具有高功率，又具有高能量，而電池的續航能力長久以來卻沒有實質性的進步，大部分電池僅能維持數小時的高強度使用。不僅如此，普通鋰電池的充電過程也相當漫長，動輒一兩個小時，這使數碼設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備時，即使是最好的鋰離子電池設計也必須在工業設計者和電子工程師之間做一些慎重的折中。

此次伊利諾伊大學開發的電池技術與電容器相比不但擁有更高的功率密度，而且與目前同樣數量級的鋅鎳電池和鋰離子電池相比擁有相當的能量密度。據報道，由于這種電池的功率和能量足夠強大，所以它能把設備的體積縮減30倍，還能幫助延長廣播信號最高30倍。如果這還不能證明這項技術的強大，那么還有一點：該新型電池還是可充電型的，比傳統鋰離子電池充電速度快1000倍，只需數秒鐘便可充滿電。總之，這就像一種夢一樣的電池技術。但是，該技術距離商業應用還有一段距離，研究人員計劃把該技術整合到其他電子部件中，同時也在研究低成本的生產工藝。

這項電池技術的巨大進步源自于一種全新的正負極結構。標準的鋰離子電池通常由兩維石墨負極和鋰鹽正極組成，他們都是固態的。伊利諾伊大學開發的新型電池卻是多孔的三維納米正負極。由于電池的電極是小型指狀結構，因此正負極可深入彼此，這樣就縮小了離子和電子的流通距離，并意味著能量的進出可被非常迅速地傳遞。又因為這些多孔電極擁有非常大的表面積，所以在既定的空間內會有更多的化學反應參與進來，這樣也能快速增強放電（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正極和負極

指狀交叉微型電極和電池的制作方法

采用傳統光刻法在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。在電沉積過程中，鎳會在水平和垂直方向同時生長，可通過調整鎳沉積時間來精確控制每個電極的寬度和電極間距。之后，鎳錫合金再沉積到負極的鎳骨架上。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程示意圖。

目前，研究人員已經采用這項技術制備了一種紐扣大小的微型電池。雖然與傳統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，不過功率密度卻比傳統電池高出2000倍之多。圖3為微型電池與各類傳統電池的能量密度和功率密度關系圖。

圖2 鋰離子微型電池的制作過程

圖3 微型電池與各類傳統電池的能量密度和功率密度關系圖

鋰離子微型電池的前景

近些年，電池技術基本沒有什么太大的進步。但是近十幾年，電子設備卻都在變小，而電池卻正好拖了電子設備小型化的后腿。微型電池技術可以改變所有的游戲規則。例如在個人醫療設備和身體植入物中，電池是一個至關重要的東西，因為它需要與微型電子器件和線纜連接。雖然現在的鋰離子電池已經足夠小，但是新型電池卻可以在同樣的空間內儲存比當前電池高30倍的能量，而且在相同的時間內可提供比當前電池高30倍的功率。因此，制造商在設計產品時，可以根據需要選擇適合自身產品的電池最佳尺寸-持久力比。另外，該技術還可以與消費電子設備聯合使用，使裝置的整體尺寸更小、質量更輕，試想一下如果智能電話電池的厚度只有信用卡大小，而充電在幾秒鐘內就會完成會怎樣？除了消費電子領域以外，也許該電池技術還有更廣闊的應用空間。在高功率應用方面，可用在激光、醫療設備上。還能用在其它通常會使用超級電容器的領域，如F1賽車和快速再充電電動工具。關于這些應用領域，伊利諾伊大學的研究者必須首先證明該技術可用來制作較大的電池，且制作工藝不會太昂貴，這樣才不會阻止該技術的商業化進程。

鋰離子微型電池研究小組的帶頭人William P.King教授