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科学家探索微型电池设计:可存储4倍能量

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电池研究前沿之一就是利用结构部件来存储能量。目前这种创意已经作为一种减轻重量的方式,开始装备在电动汽车和士兵装备上。现在,科学家将这个概念应用于微型电池上,其重量轻到可以让昆虫携带,而能量密度是传统电池的 4 倍。

       

这项研究由宾夕法尼亚大学的工程师进行的,他们正在研究新的电池设计,这些电池足够紧凑和耐用,可以为越来越小的可穿戴设备和电子设备供电。为了保持这些类型的设备运行,电池需要受到保护,以免受到撞击、水和氧气的损害,但这涉及到增加其重量和尺寸的外壳,同时对其电化学性能毫无帮助。

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为了克服这一限制,科学家们重新设想了微型电池的典型设计方式。这些设备通常具有超薄的电极,允许电子和离子的快速传输,但这种超薄的外形限制了它们可以包含的化学品数量,因此也限制了它们可以储存的能量。

       

在电池的阴极,通常由粉状的颗粒组成,这些颗粒被压缩在一起,形成一个带有空气间隙的多孔结构,这影响了离子在电池中的移动速度。科学家们通过开发一种密度大得多的阴极材料来克服这个问题,这种材料可以直接"电镀"到薄金属箔上,而金属箔也可以作为外壳。

       

研究负责人詹姆斯-皮库尔(James Pikul)说:“我们基本上制造了执行双重任务的电流收集器。"它们既作为电子导体,又作为防止水和氧气进入电池的包装”。

       

据研究人员说,这种微型电池的设计也使阴极的"原子高速公路"保持一致,这使得锂离子能够快速直接通过阴极并进入设备。因为离子可以更有效地通过阴极,所以它可以做得更厚而不影响这一关键属性,这反过来又使它可以包含的储能化学物质的数量增加了一倍。

       

最终,这使得微型电池的能量密度是目前最先进设计的四倍。这种微型电池的重量与两粒米相同,但其能量和功率密度是其体积的 100 倍,研究人员认为它可以在许多领域发挥作用。这些领域包括微型飞行机器人、可穿戴设备、提供更长寿命的医疗植入物,或构成物联网的无数无线设备。

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科学家们正在继续研究他们的新型电池的化学和物理构成,并努力提高其性能。

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