3D電池可將電源占用的空間很小

電池似乎以您可以想象的各種形狀和尺寸出現。但是，隨著電子設備變得越來越纖細，同時又不降低其功率和能量需求，他們向工程師提出了挑戰，要求他們設計出能夠裝入越來越小的空間而又不影響性能的電池。的研究人員已使用非傳統技術來設計一種可能的解決方案-一款功能強大的3D鋰離子電池，其占地面積約為一百粒鹽。他們的工作于5月3日發表在《焦耳》雜志上。

洛杉磯大學材料科學與工程學教授布魯斯·鄧恩(Bruce Dunn)說：“對于小型傳感器，您需要重新設計電池，使其像紐約的摩天大樓，而不是加利福尼亞的牧場。”安吉利斯(UCLA)。“這就是3D電池的工作方式，我們可以使用半導體工藝和保形電解液制造出一種與小型聯網設備兼容的電池。”

即使是最具創新性的二維電池，其可采用的形狀也受到限制-基本電池需要一片陽極和一片陰極，并在兩者之間填充離子導電電解質以完成電路。另一方面，原則上有無數種方法可以制作像拼圖塊一樣咬在一起的3D陽極和3D陰極(仍然必須由少量電解質隔開)。鄧恩小組選擇的設置稱為“同心管”設計，其中均勻間隔排列的陽極柱陣列被可光圖案化的聚合物電解質薄層均勻覆蓋，并且柱之間的區域充滿了陰極材料。

盡管表面上看起來很簡單，但許多研究人員只能制造一半的3D電池，其陽極和陰極可以自己穩定，但是在嘗試將這些電極組裝到一個功能電池中時卻失敗了。同時，幾乎所有已組裝的3D電池都沒有比普通的二維版本明顯更好。Dunn和博士后學者Janet Hur和Leland Smith克服了這些障礙，采用了通常用于制造半導體的方法，并對它們進行了修改，以將硅刻入所需的陽極的精確間隔圓柱體網格中，從而克服了這些障礙。鄧恩說：“這是電池世界無法做到的。”

為了完成電池，他們將薄薄的電解質層施加到硅結構上，并倒入標準的鋰離子陰極材料中，并使用陽極作為模具，以確保兩半恰好正確地結合在一起。最終的電池實現了每平方厘米5.2毫瓦時的能量密度，是3D電池中報告的最高能量密度，而其占地面積僅為0.09平方厘米，可承受100次充電和放電循環。

Dunn警告說，這種特殊的3D電池尚未充分發揮其潛力，因為他希望他和他的團隊可以通過進一步調整電池組件和組裝來提高其能量密度。他補充說：“電池的另一個挑戰始終是包裝。” “您需要將它們密封起來，保持它們的體積小，并確保它們在現實世界中的功能與在手套箱中一樣好。”