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可为超低能耗可穿戴设备供电的3D微型电池

互联网 2019-12-29 09:10:58

健身追踪器,智能手表,灵巧的听筒和其他令人难以置信的可穿戴设备是电子新时代的第一波浪潮。大多数电池都受到电池电量有限的困扰,因此下一波浪潮–一群微型传感器会自动将数据传输到其他设备,通常称为物联网(IoT)-将依靠电池技术的革命。提示3D微型电池。

电池如何工作?

电池具有一个负极(阴极)和一个正极(阳极),该电极由金属制成,其间具有不导电的电解质,该电解质支撑带电荷的原子(通常为锂离子)在彼此之间移动。当所有这些原子都在正极时,电池需要充电,然后这些原子(现在带有电子)将以另一种方式行进。

考虑到几乎所有便携式电子产品(从电话和照相机到蓝牙耳机和可穿戴设备)中标准锂离子电池的尺寸限制,科学家们一直在寻找更小,更高效的设计。

什么是3D电池?

3D电池是对现有电池构造的完整重新设计,以使其更强大或更小。3D电池具有3D形状的阳极和阴极,而不是阳极层(电解质层)和阴极层,更像拼图块。这种设计增加了阴极和阳极的表面积,并且可以容纳更多的锂离子,从而提供更大的功率,或者比传统电池小很多倍。3D设计有效地提高了电池的能量密度。

加州大学洛杉矶分校做了什么?

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员创建了一种功能强大的3D锂离子电池,其盐含量不超过100粒。他们在今年5月发表于Joule 的论文《高地区能源密度3D锂离子微型电池》中,不仅概述了3D电池,而且还概述了使用与制造电子电路相同的技术构造3D电池的新方法–这很关键,因为尽管从理论上讲更好,但到目前为止,3D电池已被证明很难制造。

3d电池设计图UCLA开发的3D电池。图片来源:Hur等/焦耳(图片来源:Hur等/焦耳)

UCLA团队的“同心管”设计使用多层3D阳极柱代替了层,而阳极柱被一层可光图案化的聚合物电解质薄层覆盖,柱之间的区域被阴极材料填充。最终结果的能量密度为每平方厘米5.2毫瓦小时,这对于3D电池而言相当不错。但是,对于微型设备而言,更重要的是它的小尺寸:仅为0.09平方厘米。哇。

这有多重要?

3d电池设计图3D电池是一种新型的电池体系结构。图片来源:Hur等/焦耳(图片来源:Hur等/焦耳)

在组件,组装和包装方面需要做更多的工作,但这可能意味着用于IoT应用的3D微型电池更易于制造。加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学教授,该报告的高级作者布鲁斯·邓恩说:“对于小型传感器,您需要重新设计电池,使其像纽约的摩天大楼,而不是加利福尼亚的牧场。”团队使用阴极柱。

“这就是3D电池的工作方式,我们可以使用半导体工艺和保形电解液制造出一种能够与小型联网设备兼容的电池。”

立即充电的电池

手表式电池的图像物联网将需要立即充电的灵活电池。信用:CC0知识共享

如果可以快速充电,则电池可以存储的电量就变得不那么重要了。考虑一下Apple AirPods和其他“真正的无线”耳机;如果可以在一分钟内为它们充电,那么有人会在乎电池实际上能持续多久吗?如果这些电池可以在不到一秒钟的时间内充电,该怎么办?

康奈尔大学做了什么?

康奈尔大学(Cornell University)的一个团队证明了这种3D电池制造的其他方式,这可能意味着可穿戴设备和IoT设备几乎可以立即充电,从而使电池内部的组件相互缠绕。他们代替了标准的阴极电解质阳极设计,设计了一种3D 螺旋形结构,其中包含成千上万个纳米级孔,其中充满了所有电池的常用组件。

材料科学与工程系工程学教授乌尔里希·维斯纳(Ulrich Wiesner)说:“这确实是一种革命性的电池架构。这种三维架构从根本上消除了设备死体积带来的所有损失。”他还指出,将一切缩小至纳米级,您将获得更高的功率密度。“因此,与传统电池架构相比,您可以在更短的时间内获得能量。”

那么其3D电池充电速度有多快?威斯纳说:“当您将电缆插入插座时,只需几秒钟,甚至更快,就可以给电池充电了。” 该团队的论文《用于电力存储的嵌段共聚物衍生的3-D互穿多功能回旋纳米复合材料》于 2018年5月发表在《能源与环境科学》上。

可穿戴电池的柔性电池

这两款3D电池都试图为锂离子电池注入新的活力,但有些人认为,柔性(甚至可拉伸)可穿戴设备需要一种全新的电池–认为智能衣服适合不断追求健身的健身追求。发送有关各种身体指标的数据。

戴着smartwatch的高尔夫球手的形象健身市场的可穿戴设备最终可能具有“机械灵活性”。信用:Garmin公司(图片来源:Garmin公司)

锂硫(Li–S)电池是韩国一组研究人员在《材料化学杂志》上发表的一篇论文中探讨的一种选择。该团队展示了一种新型电池,该电池使用全纤维阴极隔板和碳纳米管来形成金属箔的外形。除了能量密度的显着提高外,机械变形能力还意味着电池可以被压皱而不会受到影响。

随着物联网呈指数级增长,到2023年,仅可穿戴式健身追踪器市场的价值就将达到482亿美元,对拥有更高容量,可快速充电并可以充电的微型电池的需求将不断增长和增长。甚至弯曲和弯曲-谁拥有更大的力量,谁就能使其首先在商业上可行。

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