NASA研究助力可充電助聽器電池的開發

人們常常認為，發明創造能夠一蹴而就。然而，事實并非如此。就像托馬斯·愛迪生發明白熾燈其實是建立在前人50多年的實踐經驗基礎上的。同樣，銀鋅電池也經歷了漫長而曲折的發展過程，才最終進入消費品市場，被應用于助聽器。這一過程自銀鋅電池問世起長達兩個世紀之久。

與其它電池相比，銀鋅電池具有更高的質量比能量，因此，研究人員投入了大量人力、物力致力于開發實用的銀鋅電池。但是，銀鋅電池的發展緩慢，突破較少，其中一項突破性進展是由美國國家航空航天局（NASA）的格倫研究中心（即原劉易斯研究中心）取得的。

銀鋅電池的主要問題是其正負電導體具有可溶解性，劣化速度較快。20世紀20年代末，法國教授亨利·安德烈制造出了世界首個實用的銀鋅電池。該電池采用一種薄膜將兩個電極分離開來，防止活性物質在兩個電極之間遷移，從而避免了電極的劣化。該項研究成果為40多年后劉易斯研究中心取得的銀鋅電池成果奠定了基礎。

在第二次世界大戰期間，美國軍隊，特別是美國海軍和美國空軍，推動了高效銀鋅原電池的發展。這種電池是一種不可充電的電池，目前仍在用于為潛艇、魚雷、導彈推進系統，以及其它設備提供動力。

在早期的發射系統中，NASA也使用這種銀鋅原電池。但是，NASA希望能夠開發出長壽命、輕質的銀鋅二次電池，即可充電的銀鋅電池用于航天系統。電極的劣化是開發新型銀鋅電池必須解決的重要問題。鋅電極釋放的氧化鋅會溶解，導致電極降解，改變電池的形狀，減小電池的表面積。氧化鋅溶解后也可在電極上重新沉積析出，形成可穿透電池隔膜的結構，從而破壞電池。如果對電池進行加熱滅菌處理，銀鋅電池的電極劣化問題就會更加復雜。而對電池進行加熱滅菌處理是所有火星探測器都必須經歷的處理過程，目的是保證這些設備不會攜帶地球上的微生物，對火星造成污染。

20世紀60年代，為了應對這些挑戰，NASA在噴氣推進實驗室、戈達德空間飛行中心和劉易斯研究中心進行了多次實驗。研究人員試驗了多種電池隔膜材料、電極材料及電解質材料，設計了不同的電池結構和電池構建方法。但這些實驗僅使銀鋅電池的性能獲得了小幅提升。1968年NASA發布的《空間動力系統電池》報告中就指出，這些復雜的問題長期存在，需要持續不斷的研究。該報告中提及了一種采用新型無機陶瓷電池隔膜的實驗電池。該電池由道格拉斯飛機公司的宇航動力實驗室研發。道格拉斯飛機公司是劉易斯研究中心在銀鋅電池方面的合作伙伴，該公司研發的新型銀鋅電池展現出了良好的性能潛力，但缺乏充分的數據支撐。

宇航動力實驗室當時正在為劉易斯研究中心開發一種用于燃料電池的無機離子交換膜。研究人員認為，類似的隔膜或許在可充電電池中也可發揮作用。因此，1965年，宇航動力實驗室和劉易斯研究中心開始研究一種新型的隔膜，以緩解可充電銀鋅電池面臨的諸多問題。

1972年，劉易斯研究中心已經完成了基于特制的無機隔膜和特制的鋅電極研發的銀鋅電池的測試和驗證。這種銀鋅電池在加熱殺菌后，能夠作為可充電電池使用。但這些銀鋅電池的可靠壽命僅為400～500個充放電循環，遠遠低于當時航天領域常用的鎳鎘電池的10000次循環壽命，但這種銀鋅電池的尺寸僅為鎳鎘電池的1/3，且避免了典型銀鋅電池中出現的鋅電極形狀變化和性能劣化問題。1972年，劉易斯研究中心發表了題為“一種用于同步軌道任務和行星探測任務的多功能氧化銀-鋅電池”的文章，稱這種電極未經過形變抑制處理的銀鋅電池的耐用性達到了“驚人”和“不同尋常的”程度。

宇航動力實驗室通過持續研發，開發出了一種更有效的無機-有機隔膜，進一步延長了銀鋅電池的壽命，消除了其它無機隔膜具有的低傳導率問題。1973年，劉易斯研究中心啟動了一項電池隔膜研發項目，獲得了宇航動力實驗室研發的無機-有機隔膜的使用許可，并對這種隔膜的工作原理開展了大量的研究和實驗。在理論研究的基礎上，研究人員研發出了3種更高性能的隔膜產品，以及一種高效制造這些隔膜產品的方法。這些隔膜產品及其制造方法于1979年發布。

宇航動力實驗室研發的基于無機-有機隔膜的銀鋅電池在50%放電率條件下的循環壽命約為150個周期，而劉易斯研究中心開發的產品的循環壽命可達200個周期；宇航動力實驗室開發的隔膜很脆，難于處理，而劉易斯研究中心研發的隔膜更柔軟，可獲得更均勻的電流密度，并可能延長電池的使用壽命；通過采用新型材料和工藝，劉易斯研究中心開發的電池隔膜的成本約為35美分/平方英尺，而宇航動力實驗室研發的電池隔膜的成本約為1.25美元/平方英尺。

盡管開展了大量的研究，銀鋅二次電池在NASA仍未得到廣泛應用。一方面是由于其充放電循環壽命仍然較少，另一方面是因為在20世紀70年代中期，鎳鎘電池有了重大改進，成為NASA眾多應用的首選電池。此外，在20世紀90年代，鋰離子電池出現，其能量質量比幾乎與銀鋅電池相同，但其充放電循環性能遠高于銀鋅電池，因此得到了更為廣泛的應用。

在商業領域，鋅銀電池受其成本高及壽命短的影響，也未獲得廣泛應用。直到最近，這種情況才有所改觀。

鋅矩陣能源公司（現稱“ZPower公司”）1996年成立于美國加利福尼亞州卡馬里奧市，主要致力于可充電銀鋅電池的商業化應用。由于NASA的大部分研發成果是公開的，因此，該公司在NASA和其他研究機構的銀鋅電池研究基礎上進行了研究。此外，該公司的總裁兼首席執行官（CEO）羅斯·迪貝爾也擁有一些銀鋅電池的專業知識。他曾經就職于美國空軍萊特航空實驗室的電池分部，該部門經常與NASA開展可充電電池系統方面的合作，其中就包括銀鋅電池技術。

ZPower公司專注于改進電池的4個活性組成部分，即2個電極、電解質和隔膜。經過多次改進，在其最終產品中，ZPower公司在電池的銀電極上涂覆了一種專利涂層以提高電導率，在鋅電極上添加了一種膏狀物質以減少鋅離子的擴散，采用了特殊的電解質來延長兩個電極的使用壽命。研究人員還為電池隔膜的堆疊設計技術申請了專利。

先進膜系統公司是一家研發電池隔膜進行測試的公司。該公司在21世紀初與格倫研究中心和約翰遜航天中心簽訂了小企業創新研究計劃（SBIR）合同，共同開展銀鋅電池研究。該公司的研究引起了ZPower公司的關注。ZPower公司購買了其電池隔膜專利技術的所有權利，對其多年來在銀鋅電池方面積累的約100項專利技術形成了補充。基于這些技術，ZPower公司開發的銀鋅電池在電容量無明顯衰減的情況下循環壽命可達500～1000次。

經過十多年的研發，ZPower公司于2007年宣布，將在2008年推出一系列筆記本電腦電池。然而，受2008年經濟危機，以及銀價大幅上漲的影響，成本成為銀鋅電池發展的嚴重障礙。在這種情況下，ZPower公司只能重新進行規劃。由于電池越小，所需的銀越少，銀價造成的影響就越小。所以，ZPower公司決定將銀鋅電池應用于助聽器中。在2013年底，ZPower公司發布了其助聽器電池產品系列。

傳統助聽器通常使用一次性鋅空氣電池。鋅空氣電池具有較高的能量質量比，但不能充電。鎳氫電池等可充電電池在助聽器的小尺寸下，無法攜帶足夠助聽器全天運行所需的電量。因此，助聽器用戶幾乎每周都需要更換電池，非常不便。在高電量存儲方面，鋰離子電池是唯一可與銀鋅電池相媲美的。但鋰離子電池存在熱失控現象，可能會發生燃燒或爆炸事故。此外，鋰離子電池需要更為嚴密的包裝和其它組件，不適用于微型電池。銀鋅電池卻可以避免這一問題。

為了解決電池更換的困難，ZPower公司開發的電池能夠在助聽器內部充電。ZPower公司在傳統助聽器電池蓋的部位設計了特殊的接口，可與充電器連接，用戶僅需將助聽器從耳朵中取出，連接充電器即可充電，而且，電池能夠在一夜之內充滿，充電一次可供用戶使用1～2天。ZPower公司建議每年更換一次電池，每塊電池的售價為25美元～30美元，與一次性電池相比，成本更低。

ZPower公司還研發了電池的回收工藝。由ZPower公司將這些舊電池收集起來，送往專業的回收機構進行再利用。

這種可充電銀鋅電池系統贏得了2016年消費電子展創新獎和2016年愛迪生獎。ZPower公司的產品發布后，其雇員數量已由35人增加到100人。

羅斯·迪貝爾說：“隨著可穿戴設備的發展，越來越多的人開始關注小型化、高性能的電池。助聽器只是銀鋅電池應用的起步。”目前，ZPower公司正在與一家太陽鏡制造商合作研發一款“不會丟的太陽鏡”。該太陽鏡能夠通過手機應用程序鎖定位置，其電池將由ZPower公司負責提供。 (唐 甜)