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建立一个更好的电池

2018年2月15日,
争夺世界上最伟大电池的竞赛已经开始,APL的科学家们可能刚刚凭借世界上第一个几乎易损坏的锂离子电池赢得了第一名。

一个跨职能科学家小组来自John Hopkins大学应用物理实验室(APL),马里兰大学,军队研究实验室(ARL)发明了一种柔性,凝胶的锂离子(锂离子)电池,即使在切割之后也持续发电。在一半,淹没在水中,并用空气炮弹射击。突破性技术在其抵御滥用能力中是新颖的,并且可以重新定义世界对权力的看法。

一个简短的历史

我们可能生活在一个数字世界中,但我们所有电子产品背后的强大力量仍然是那种无名的英雄:电池。很第一个电池由Alessando Volta建于1800(伏特也是如此命名)。称为Voltaic堆,电池是一堆交替的铜和锌板,层层湿润的电解质。虽然商业用途极为不切实际,但这是我们看到的数百个能量和燃料储存系统的基础 - 包括今天最受欢迎的可充电电池之一:锂离子。

柔性电池被切断,继续为负载供电。(资料来源:约翰·霍普金斯APL)

锂离子

锂离子电池技术研究开始于1912.1970年,第一块锂离子电池问世,从此这项技术迅速普及。锂离子生产能力2016年是290亿瓦时。消费电子产品对移动电源解决方案的需求只会继续上升,到目前为止,没有比锂离子电池更好的可充电电源解决方案。然而,锂离子技术并非没有问题。

现有锂离子电池的问题

锂离子技术带来了一个严重的问题:锂离子电池爆炸然后燃烧起来。锂离子电池两个电极(阳极和阴极),由一层电解质分开,这允许电子从一个电极流到另一层。然而,在锂离子电池中使用的电解质是高度易燃并且在刺破或存在极高热的条件时爆发成火焰(例如,高热量展示在易燃三星Galaxy智能手机中)。

然而,由APL研究人员发明的凝胶电池可能已经解决了使用锂离子技术的已知问题。

在被空气炮击中后,gpe电池继续为负载供电。(资料来源:约翰·霍普金斯APL)

近可本质锂离子电池

APL,UMD和ARL的科学家团队开发的柔性电池基于一部新型电解质,即2015年发现的APL和UMD研究人员称为“盐水”。该团队在聚乙烯醇(PVA)聚合物基质中嵌入了盐水中的盐电解质。结果是凝胶聚合物电解质(GPE)比液体更稳定,但也具有其商业对应物的柔韧性和高能量能力。

这种柔性电池的能量密度为141 Wh/kg,功率密度为20 600 W/kg,这使得它既强大又适用于极端条件下的应用。

在一项实验中,研究团队用GPE基板搭建了一个原型,用电子绝缘耐热胶带封住。研究小组用这种电池为一台笨重的马达提供动力。然后,研究人员切断电池,将其浸入一个装有合成盐水的容器中,并用空气炮对其进行射击。在极端恶劣的环境下,电池仍能继续供电。

不像市场上的任何电池

这款基于gpe的柔性电池高4英寸,宽1英寸。它看起来并不比一两根口香糖厚,但就其大小而言,它具有极高的能量和功率密度。这种电池是市场上前所未有的。

虽然输出与传统的锂离子电池相似,但基于gpe的技术的多功能性是锂离子技术和其他新兴电池技术(如铝氧电池、固态电池和微型电池)所无法比拟的。这些技术在极端条件下的性能都优于锂离子技术,但无法提供与锂离子技术相同的可充电能力或功率输出。

未来的应用

该研究团队宣布计划继续共同努力,朝着军事申请的商业化。在新闻稿中,APL的杰弗里P.Maranchi-签名,能源和材料科学计划经理表示,该团队不得在军事应用中预期的极端条件下使用设计不远。Maranchi表示,到目前为止,该团队的反馈是有前途的,他们接近现场试验。

如果基于GPE的电池可以在军队的极端条件下执行,它当然应该能够承受日常电力需求和消费电子的使用情况。此外,如果该技术可以在没有压力下爆炸的情况下与现有的锂离子技术相同的锂离子技术,则在GPE结构使其进入我们的手机之前只会是时间问题。

虽然这并不能解决可穿戴应用的电池尺寸问题,但它无疑是朝着正确的方向转变。

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