新颖的设计有助于开发强大的微电池

将大型电池的电化学性能转化为微型电源一直是一项长期存在的技术挑战，限制了电池为微型设备、微型机器人和植入式医疗设备供电的能力。伊利诺伊大学香槟分校的研究人员创造了一种高压微型电池 (> 9 V)，具有高能量和高功率密度，是任何现有电池设计都无法比拟的。

材料科学与工程教授 Paul Braun(Grainger 工程杰出教席，材料研究实验室主任)，Sungbong Kim 博士(博士后，MatSE，现任韩国军事学院助理教授，共同第一作者)和 Arghya Patra(研究生， MatSE，MRL，共同第一作者)最近在Cell Reports Physical Science上发表了论文“Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries” 。

该团队展示了密封(紧密关闭以防止暴露在环境空气中)、耐用、紧凑的锂电池，具有极低的包装质量分数，采用单层、双层和三层堆叠配置，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：“我们需要功能强大的微型电池，通过改进电极结构和提出创新的电池设计来释放微型设备的全部潜力。” 问题在于，随着电池变得越来越小，封装决定了电池的体积和质量，而电极面积却越来越小。这导致电池的能量和功率急剧下降。

在他们独特的强大微电池设计中，该团队开发了新颖的封装技术，将正极和负极端子集电器用作包装本身的一部分(而不是单独的实体)。这允许紧凑的体积 (? 0.165 cm 3 ) 和低封装质量分数 (10.2%) 的电池。此外，他们将电极电池串联垂直堆叠(因此每个电池的电压相加)，从而实现了电池的高工作电压。

改进这些微电池的另一种方法是使用非常致密的电极来提供能量密度。普通电极几乎有 40% 的体积被聚合物和碳添加剂(非活性材料)占据。Braun 的团队通过中温直接电沉积技术生长出完全致密且不含聚合物和碳添加剂的电极。这些完全致密的电极比商业电极提供更高的体积能量密度。本研究中的微电池是使用 Xerion Advanced Battery Corporation(XABC，俄亥俄州代顿市)制造的致密电镀 DirectPlate TM LiCoO 2电极制造的，该公司是从 Braun 的研究中分离出来的。

Patra 提到，“迄今为止，微纳米尺度的电极结构和电池设计仅限于以孔隙率和体积能量密度为代价的功率密集设计。我们的工作已经成功地创造了一种微型能源，展示了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领域包括为昆虫大小的微型机器人提供动力，以便在自然灾害、搜索和救援任务以及人类无法直接访问的危险环境中获取有价值的信息。合著者 James Pikul(宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授)指出，“高压对于减少微型机器人需要携带的电子有效载荷很重要。9 V 可以直接为电机供电并减少与某些执行器所需的将电压升高到数百或数千伏特相关的能量损失。

Kim 补充说：“我们的工作弥合了材料化学、能量密集平面微电池配置的独特材料制造要求以及需要高压板载电源来驱动微执行器和应用的纳米微电子学等交叉领域的知识鸿沟。微电机。”

电池小型化领域的先驱 Braun 总结道，“我们目前的微型电池设计非常适合高能量、高功率、高电压、单次放电的应用。下一步是将设计转化为所有固态微电池平台，本质上比液态电池更安全、能量密度更高的电池。”