为可穿戴技术发明了更安全、更便宜、更灵活的电池

研究人员为可穿戴设备开发了一种更安全、更便宜、性能更好、更灵活的电池选择。6月3日，一篇描述新型电池“配方”的论文发表在《纳米研究能源》杂志上。

健身追踪器。智能手表。虚拟现实耳机。甚至智能服装和植入物。如今，可穿戴智能设备无处不在。但为了获得更大的舒适性、可靠性和寿命，这些设备将需要更高水平的灵活性和储能机构的小型化，而储能机构往往体积庞大、重量沉重且脆弱，令人沮丧。除此之外，任何改进都不能以牺牲安全为代价

因此，近年来，大量电池研究集中在“微型”柔性储能装置（MFESD）的开发上。已经探索了一系列不同的结构和电化学基础，其中，水性微型电池具有许多独特的优势

水性电池——那些使用水性溶液作为电解质（允许离子在电池中传输从而形成电路的介质）的电池并不是什么新鲜事。它们自19世纪末就已经存在了

然而，它们的能量密度——或每单位体积电池中所含的能量——太低，无法用于电动汽车等产品，因为它们会占用太多空间。锂离子电池更适合这种用途

同时，水电池比锂离子电池易燃性低得多，因此更安全。它们也便宜得多。由于这种更强大的安全性和低成本，水性方案越来越多地被探索为MFESD的更好方案之一。这些被称为水性微型电池，或者仅仅是AMB

“遗憾的是，到目前为止，AMB还没有发挥出它们的潜力，”桂林理工大学广西光电子材料与器件重点实验室的材料科学家柯牛说，他是该团队的主要研究人员之一。“为了能够在可穿戴设备中使用，它们需要承受一定程度的真实世界的弯曲和扭曲。但迄今为止，大多数探索的设备都在这种压力面前失败了。”

为了克服这一点，AMB中的任何骨折或故障点都需要在这种压力下自我修复。不幸的是，迄今为止开发的自修复AMB往往依赖于金属化合物作为电池电路中的电荷载体

这具有金属离子与电极（电池的正极和负极电导体）所用材料之间强烈反应的不良副作用。这反过来又降低了电池的反应速率（任何电池核心的电化学反应发生的速度），极大地限制了性能

“因此，我们开始研究非金属电荷载体的可能性，因为它们与电极的相互作用不会遇到同样的困难，”该团队的另一位主要成员、武汉华中科技大学物理学院和纳米表征与器件中心的研究员石俊杰补充道

研究小组发现铵离子是最佳的电荷载体，铵离子来源于大量可用的铵盐。它们的腐蚀性远低于其他选择，并具有广泛的电化学稳定性窗口

“但铵离子并不是使我们的电池自我修复所需配方中的唯一成分，”该研究团队的第三位主要成员、也是CNCD的张龙说

为此，该团队将铵盐掺入水凝胶中，水凝胶是一种聚合物材料，可以吸收和保留大量的水，而不会干扰其结构。这给水凝胶带来了令人印象深刻的灵活性——恰好提供了所需的自我修复特性。明胶可能是最著名的水凝胶，尽管在这种情况下，研究人员选择了聚乙烯醇水凝胶（PVA），因为它具有高强度和低成本

为了优化与铵电解质的兼容性，选择碳化钛作为阳极（负极）材料，因为它具有优异的导电性。碳化钛是一种只有单层原子的“2D”纳米材料。同时，已经常用于干电池的二氧化锰被编织成阴极（正极）的碳纳米管基质（再次提高导电性）

原型自修复电池的测试表明，即使在10次自修复循环后，它也表现出优异的能量密度、功率密度、循环寿命、灵活性和自修复能力

该团队现在的目标是进一步开发和优化他们的原型，为商业生产做准备