新的3D微型电池可满足行业标准的薄膜同类产品

用于微型设备(例如便携式和医疗电子设备)的薄膜锂离子电池可能会提供相对于其质量的大量电能，但由于尺寸有限，无法为许多设备提供足够的电能。研究人员介绍了一种制造工艺，该工艺可以使用光刻和电沉积技术用厚的3D电极构建微型电池，并将每个单元密封在填充有凝胶电解质的包装中。研究人员说，新的原型机显示了所有报道的微型电池中最高的峰值功率密度。

由伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的博士后研究员Pengcheng Sun和材料科学与工程教授Paul Braun领导的这项新研究发表在《先进材料》杂志上。

研究人员说，大多数微型电池的阳极和阴极非常薄且扁平，这对于节省空间非常有用，但不能满足当今技术的无线传输需求。

Sun表示：“答案似乎是使用更厚的电极，该电极可以在有限的占地面积上容纳更多的能量，但仅此一项，只会增加离子和电子必须传播的途径，从而降低功率。” “使用填充有液体电解质的3D多孔电极可以缩短该路径，但是封装此类微型电池极具挑战性。”

该团队表示，有一项研究使用压印光刻技术来构建3D微电池，该3D微电池使用液体电解质实现了高峰值功率，但是该示例的性能是在实验室条件下使用未密封的电池测得的。

在这项新研究中，研究小组开发了一种独特的毛细管填充工艺，该工艺可以将凝胶电解质填充到3D多孔电极中，从而使微电池的气密包装成为可能。

布劳恩说：“使用较厚的凝胶电解质代替液体可以使我们有更多的控制权。” “电解液的凝胶性质使我们有更多时间密封电池，而不会溅出电解液。而且，默认情况下，凝胶还可以使锂离子电池更安全，因为它不太可能泄漏，这可能是因为液体电解质填充的锂离子电池出现问题。”

研究人员说，新包装的电池具有高能量密度和高功率密度，分别为每平方厘米1.24焦耳和每平方厘米75.5毫瓦，这比目前的电池密度高约十倍。在正常条件下，电池可以循环200次，并保持初始放电容量的75%。研究报告称，使用液体电解质，新电池可提供更高的功率密度，每平方厘米218毫瓦，显示出进一步改进的潜力。

Sun表示：“我们的微型电池可以提供132天的微型自动电源。” “这是基于合理的假设，即当待机时间为100秒且传输时间为10毫秒时，这种类型的设备在待机模式下消耗5微瓦，在数据传输期间消耗5毫瓦。”

研究小组表示，这项研究中使用的制造和封装技术可以加快具有复杂3D电极配置的高性能固态微型存储设备的开发。

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