加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校和總部位于加利福尼亞的ZPower公司的研究人員開發(fā)了一種靈活的可充電氧化銀鋅 (AgO-Zn) 電池，其面能量密度是鋰離子 (Li-ion) 電池的 5 到 10 倍. 高功率能量密度使可充電銀鋅電池適用于下一代消費電子產(chǎn)品，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備。
這一突破是通過利用 ZPower 的專有技術(shù)以及加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程團(tuán)隊開發(fā)的特殊墨水和表征技術(shù)實現(xiàn)的。據(jù)研究人員稱，與大多數(shù)需要在真空無菌條件下制造的柔性電池相比，這種電池在正常條件下使用絲網(wǎng)印刷工藝制造，有助于降低成本和可擴展性。
對于電池，研究人員使用了 ZPower 的專有陰極設(shè)計和化學(xué)成分，而加州大學(xué)圣地亞哥分校的團(tuán)隊則利用了他們在可印刷、可拉伸傳感器和可拉伸電池方面的專業(yè)知識，以及電化學(xué)儲能系統(tǒng)的高級表征。
研究人員表示，這些電池還可以根據(jù)尺寸和容量進(jìn)行定制，室溫下的面積容量為每平方厘米 50 毫安，是典型鋰離子電池的 10 到 20 倍。這意味著研究人員在相同表面積下測試的電池的功率增加了 5 到 10 倍。
除了提高電池性能外，研究的另一個重點是通過使用低成本的可擴展生產(chǎn)工藝、基于聚合物的柔性架構(gòu)和定制的墨水配方來改進(jìn)制造工藝。
該團(tuán)隊的研究結(jié)果發(fā)表在《焦耳》雜志上。陸寅，該論文的共同第一作者之一，博士生導(dǎo)師。加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授 Joseph Wang 研究小組的學(xué)生在一份聲明中表示，這些“電池可以圍繞電子設(shè)備設(shè)計，而不是圍繞電池設(shè)計電子設(shè)備?！?/p>
“這種面積能力以前從未獲得過，”尹說?！岸椅覀兊闹圃旆椒ń?jīng)濟(jì)實惠且可擴展?！?/p>
電池的能量密度歸功于 AgO-Zn 化學(xué)成分，這與大多數(shù)使用 Ag2O-Zn 化學(xué)成分的商用柔性電池不同，后者的循環(huán)壽命有限，小于 50 次循環(huán)，容量低（原電池<12 mAh/cm 2根據(jù)加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究論文，二次電池<3 mAh/cm 2），以及在運行期間導(dǎo)致大電壓降的高內(nèi)阻（~102 Ω）。這些特點限制了銀鋅電池的應(yīng)用。
為了解決這些限制，研究人員使用了專有的 AgO 陰極材料。研究人員表示，盡管傳統(tǒng)上認(rèn)為 AgO 不穩(wěn)定，但 ZPower 的 AgO 陰極材料使用專有的氧化鉛涂層來提高 AgO 的電化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。AgO-Zn 化學(xué)成分還使電池具有低阻抗。進(jìn)一步降低阻抗的是電池的印刷集電器，它們表現(xiàn)出“出色的導(dǎo)電性”。
據(jù)研究人員稱，這種新電池的容量比目前市場上任何一種柔性電池都要高，因為這種電池的阻抗要低得多?！白杩乖降停姵貙Υ箅娏鞣烹姷男阅茉胶??！?/p>
根據(jù)該論文，在測試柔性 AgO-Zn 電池作為二次電池（可充電）的電化學(xué)性能期間的阻抗測量顯示，在循環(huán)過程中阻抗較低。測試結(jié)果還表明，與以前的研究相比，不穩(wěn)定的 AgO 氧化態(tài)的循環(huán)壽命可以通過顯著增加的循環(huán)壽命來控制。
為了確定電池的阻抗，研究人員在全電池循環(huán)期間使用直流內(nèi)阻 (DCIR) 方法或在分離的陽極和陰極半電池循環(huán)期間使用 Zn 箔作為參考的 3 電極配置.
研究人員表示，3 電極阻抗結(jié)果提供了對提高電池循環(huán)壽命和性能的可能方法的深入了解。它還表明 AgO 陰極的阻抗是電池阻抗的主要部分。
為了展示電池性能，研究人員為一個靈活的電子墨水顯示系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)帶有一個集成的微控制器和藍(lán)牙模塊，需要脈沖大電流放電。調(diào)查結(jié)果表明，該電池的性能優(yōu)于紐扣鋰電池，并且印刷的電池充電了 80 多個周期，沒有任何“容量損失的主要跡象”。此外，即使在反復(fù)彎曲和扭曲之后，它們?nèi)阅鼙３止δ堋?/p>
但首先，研究人員需要開發(fā)一種新工藝來制造電池。一個障礙是找到合適的墨水配方以使 AgO 可用于印刷。據(jù)研究人員稱，AgO 從未用于絲網(wǎng)印刷電池，因為它具有高度氧化性并且化學(xué)降解迅速。
一旦他們開發(fā)出正確的墨水配方，電池就可以在幾秒鐘內(nèi)打印出來，并在幾分鐘內(nèi)準(zhǔn)備好使用。此外，電池可以以片對片或卷對卷工藝打印，從而提高制造速度和可擴展性。
研究人員還開發(fā)了可打印的柔性隔膜和固相 KOH-PVA 水凝膠，以實現(xiàn)低調(diào)的堆疊夾層結(jié)構(gòu)。電池被印刷在可熱封的高熔點（約 200°C 或 400°F）聚合物薄膜上。集電器、鋅陽極、AgO 陰極和它們相應(yīng)的隔板各自構(gòu)成堆疊的絲網(wǎng)印刷層。
研究人員表示，全印刷、柔性和可充電 AgO-Zn 電池的制造和組裝過程可用于制造具有“可調(diào)節(jié)”面積容量的不同電池尺寸，從而實現(xiàn)為特定應(yīng)用量身定制的可定制電池外形尺寸。
該團(tuán)隊認(rèn)為，它為可印刷柔性電池的進(jìn)一步發(fā)展樹立了新的標(biāo)桿。其他工作將包括進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝、油墨成分以及層厚和孔隙率。加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程團(tuán)隊和 ZPower 都在為 5G 設(shè)備和軟機器人開發(fā)更便宜、更快的充電電池。
審核編輯 黃昊宇