賴斯大學(xué)發(fā)明的這種納米結(jié)構(gòu)的鋰電池與現(xiàn)在通用的鋰電池相比，充電更迅速、電力也更充足。右側(cè)的透射電鏡圖顯示，納米線被一種PMMA的多聚體包裹著。（圖片來源：賴斯大學(xué)Ajayan實驗室）
美國賴斯大學(xué)的科學(xué)家最近在微電池制造方面邁出了重要的一步，他們研發(fā)出一種結(jié)實的立體微電池，這種電池比普通的鋰電池充電時間更短，其他性能也更為出色。這項成果可能為遙感、顯示屏、智能卡、柔性電子器件以及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域帶來革命性的突破。
這種電池里有著垂直排列的鎳—錫納米線，這些納米線外面均勻地包裹著一種叫做PMMA的多聚體材料，也就是我們俗稱的有機(jī)玻璃。PMMA“外衣”能夠讓超薄電解質(zhì)層穩(wěn)定地環(huán)繞在納米結(jié)構(gòu)材料周圍，從而使這項存在已久的難題終于得到了解決。
賴斯大學(xué)的Pulickel Ajayan及其實驗室成員花了一年多的時間，找到了一種可靠的方法，能夠?qū)胃{米線裹上一層平滑的PMMA基膠質(zhì)電解質(zhì)。PMMA的主要作用是絕緣，當(dāng)電流通過時，它能保護(hù)里面的納米線不受反電極的影響。研究者的這項工作在線發(fā)表在本周出版的《納米快報》（Nano Letters）雜志上。
“在普通的電池里，通常會有一個很厚的隔離物將兩個電極隔開。”該校機(jī)械工程與材料化學(xué)教授Ajayan說，“如果能將電池里的東西挨得盡可能近，就可以大大提高電化學(xué)效率。但這一直是個很大的挑戰(zhàn)。”
Ajayan和他的同事認(rèn)為，解決這個問題的敲門磚，應(yīng)該是開發(fā)涂層納米線。應(yīng)用這種技術(shù)開發(fā)出來的具有伸縮性的微型器件，將會比普通的薄膜電池具有更大的表面積。“不過說句公道話，你不能用厚度來評判薄膜電池的好壞，因為這關(guān)系到鋰離子動力學(xué)的速度快慢。”Ajavan說。
“我們想弄清怎樣把用3D技術(shù)設(shè)計出來的電池落實到納米級別的實物上。”Ajayan實驗室的研究生Sanketh Gowda說，“通過提高納米線的高度，我們可以在不改變鋰離子擴(kuò)散距離的同時，提高電池的儲能量。”
“說實話，這種電池的3D概念設(shè)計早就出來了。”研究的帶頭人之一Arava Leela Mohana Reddy表示，“但是技術(shù)難點在于實際操作中，人們究竟能否給一段較長的納米線裹上一層完美的PMMA外衣。即使一個很小的失誤也會導(dǎo)致全盤失敗。”
這項實驗主要基于去年該實驗室發(fā)表在《納米快報》上的一項研究，當(dāng)時研究小組研發(fā)出了一種共軸的納米線電纜。
而在這項新的研究中，研究者使用電極沉積的方法，在一塊陽極氧化鋁模具的孔中造出了一條10微米長的納米線。然后他們使用簡單的化學(xué)蝕刻技術(shù)將模具上的孔擴(kuò)大，并注入PMMA材料，將孔中的整條納米線均勻地包裹起來。最后研究者用化學(xué)方法將成品從模具上洗了下來。
研究小組用這種納米線造出了面積為1平方厘米的微電池，這種電池比相同電極距離的平板電池儲能更多、充電更快。“電池是立體的，因此在同樣的距離下能夠傳輸更多的能量。”Gowda說。
研究小組還發(fā)現(xiàn)，有了PMMA“外衣”，電池的可充電次數(shù)也會增多，因為它能夠使納米線和液體電解質(zhì)之間的隔離環(huán)境更加穩(wěn)定。
最后，研究人員還驗證了電池中另一個常見的問題。比如硅電極，它會隨著鋰離子的來回流動出現(xiàn)膨脹和收縮的現(xiàn)象，長時間體積的變化會損壞電極。那么這種循環(huán)效應(yīng)對納米線新電池的影響又如何呢？
電子顯微圖像顯示，納米線在經(jīng)過了多次的充放電循環(huán)后，PMMA薄膜并沒有出現(xiàn)破損的情況，甚至連一個小針眼都沒有。研究人員認(rèn)為包膜技術(shù)能夠抵抗住電極體積的擴(kuò)大，從而延長了電池的壽命。
