美国伊利诺伊大学研发新型锂离子微电池

本刊 贾旭平

美国伊利诺伊大学的研究人员最近开发了一种新型锂离子电池技术，其功率密度达7.4mW/(cm2·μm)，这相当于或超过了当前最好的超级电容器的功率密度，而且与其他微型电池相比功率也提高了2000倍。据研究者称，这不单单是一次电池技术革命，更是一种新型的可转变为现实的技术。它打破了电池的传统模式，是一项全新的、与众不同的技术。

目前，电池的能量存储技术是功率与能量之间的折中，要么拥有够多的功率，要么拥有够多的能量，但是通常不能两者兼得。超级电容器可以释放非常大的功率，但是只能维持几秒钟。燃料电池虽然可以存储更多的能量，但是其峰值功率输出却有限。这样就会造成一些问题：随着科技的发展，当前大多数现代、前沿应用技术，如智能电话、可穿戴计算机、电动车都要求电池既具有高功率，又具有高能量，而电池的续航能力长久以来却没有实质性的进步，大部分电池仅能维持数小时的高强度使用。不仅如此，普通锂电池的充电过程也相当漫长，动辄一两个小时，这使数码设备的使用受到了限制。虽然锂离子电池是目前为止最好的高功率、高能量电源解决方案，但是在制造新的电子设备时，即使是最好的锂离子电池设计也必须在工业设计者和电子工程师之间做一些慎重的折中。

此次伊利诺伊大学开发的电池技术与电容器相比不但拥有更高的功率密度，而且与目前同样数量级的锌镍电池和锂离子电池相比拥有相当的能量密度。据报道，由于这种电池的功率和能量足够强大，所以它能把设备的体积缩减30倍，还能帮助延长广播信号最高30倍。如果这还不能证明这项技术的强大，那么还有一点：该新型电池还是可充电型的，比传统锂离子电池充电速度快1000倍，只需数秒钟便可充满电。总之，这就像一种梦一样的电池技术。但是，该技术距离商业应用还有一段距离，研究人员计划把该技术整合到其他电子部件中，同时也在研究低成本的生产工艺。

这项电池技术的巨大进步源自于一种全新的正负极结构。标准的锂离子电池通常由两维石墨负极和锂盐正极组成，他们都是固态的。伊利诺伊大学开发的新型电池却是多孔的三维纳米正负极。由于电池的电极是小型指状结构，因此正负极可深入彼此，这样就缩小了离子和电子的流通距离，并意味着能量的进出可被非常迅速地传递。又因为这些多孔电极拥有非常大的表面积，所以在既定的空间内会有更多的化学反应参与进来，这样也能快速增强放电（功率输出）和充电速度。虽然电极的表面积极大，但由这种电极制成的电池的整体体积又极小。

图1 锂离子微型电池的3D正极和负极

指状交叉微型电极和电池的制作方法

采用传统光刻法在1mm厚的钠钙硅玻璃衬底上制作指状交叉金电极模板。将聚苯乙烯胶体组装到衬底，并在电沉积镍骨架之后，金电极可用3-巯基-1-丙磺酸钠盐单层功能化。在电沉积过程中，镍会在水平和垂直方向同时生长，可通过调整镍沉积时间来精确控制每个电极的宽度和电极间距。之后，镍锡合金再沉积到负极的镍骨架上。接着，MnOOH被电沉积到正极的镍骨架上。最后，在300℃下，衬底被浸渍在熔融锂盐LiNO3和LiOH中，以形成锂锰氧化物。图2为锂离子微电池的制作过程示意图。

目前，研究人员已经采用这项技术制备了一种纽扣大小的微型电池。虽然与传统SonyCR1620扣式电池相比，这种新型电池的性能非常卓越，但该电池的能量密度稍微低了一点，不过功率密度却比传统电池高出2000倍之多。图3为微型电池与各类传统电池的能量密度和功率密度关系图。

图2 锂离子微型电池的制作过程

图3 微型电池与各类传统电池的能量密度和功率密度关系图

锂离子微型电池的前景

近些年，电池技术基本没有什么太大的进步。但是近十几年，电子设备却都在变小，而电池却正好拖了电子设备小型化的后腿。微型电池技术可以改变所有的游戏规则。例如在个人医疗设备和身体植入物中，电池是一个至关重要的东西，因为它需要与微型电子器件和线缆连接。虽然现在的锂离子电池已经足够小，但是新型电池却可以在同样的空间内储存比当前电池高30倍的能量，而且在相同的时间内可提供比当前电池高30倍的功率。因此，制造商在设计产品时，可以根据需要选择适合自身产品的电池最佳尺寸-持久力比。另外，该技术还可以与消费电子设备联合使用，使装置的整体尺寸更小、质量更轻，试想一下如果智能电话电池的厚度只有信用卡大小，而充电在几秒钟内就会完成会怎样？除了消费电子领域以外，也许该电池技术还有更广阔的应用空间。在高功率应用方面，可用在激光、医疗设备上。还能用在其它通常会使用超级电容器的领域，如F1赛车和快速再充电电动工具。关于这些应用领域，伊利诺伊大学的研究者必须首先证明该技术可用来制作较大的电池，且制作工艺不会太昂贵，这样才不会阻止该技术的商业化进程。

锂离子微型电池研究小组的带头人William P.King教授