透明锂离子电池带来新潮产品

2021-09-22      889 次浏览

把一种电极材料溶液滴到刻有网状细槽的聚二甲基硅氧烷表面,毛细管用途吸引这种溶液进入,直到它们充满所有的细槽,形成网格,这就制成透明电极,斯坦福大学(StanfordUniversity)的研究人员制成了完全透明的电池,这是最后缺少的组件,要用它来制备透明显示器和其他电子设备。透明电源:透明的锂离子电池就像这一块,最终能够驱动透明的便携式电子产品。来源:麻省理工科技创业


斯坦福大学材料科学教授崔毅(YiCui)领导这项工作,他说,大量的研究都是让电池储存更多能量,使用更长时间,但很少有人注意到让它们更漂亮,更别致。


科学家此前曾制成透明的产品,属于其他重要类别的电子产品,包括晶体管和用于控制显示器的组件,但尚未制成电池。假如不能使电池透明,你就不能让这些装置透明,崔毅说。


有些电池组件比其他组件更容易使用透明材料制备。电极是最棘手的部分,崔毅说。有一种方法可以制作透明电极,那就是使它非常薄,大约接近100纳米厚。但是,很薄的电极通常无法存储足够的能量以供使用。


另一种方法,是制作电极时采用一种形式的模式,它具有的特点更小,肉眼看不见。只要电池内总体上有足够的电极材料,这种类型的电极仍可以存储大量能量。崔毅设计了一种网状电极,网格的所有行距大约50微米,可以有效隐形,网格内的方块不包含电池材料。


制造也非常棘手,因为用通常的方法制备组件,这种分辨率就要求苛刻的化学工艺,会损坏电池材料。相反,斯坦福大学的小组采用了一种相对简单的方法,制成这种透明的网状电极,这些电极被结合在一起,处于一种透明、湿软的聚合物内,这种聚合物称为聚二甲基硅氧烷(PDMS:Polydimethylsiloxane)。


他们开始是采用光刻技术,在硅晶片上做出模具。然后,他们把液态聚二甲基硅氧烷倾倒在模具上,加工硫化聚合物,使它凝固,并使它剥离模具。然后,这种聚二甲基硅氧烷片被刻上一种网格状细槽。接着,他们把一种电极材料溶液滴到聚二甲基硅氧烷表面。毛细管用途(Capillaryaction)牵引这种材料进入,直到它们充满所有的细槽,形成网格。研究人员使用标准锂离子电池材料,制作他们的电极。


为了制成完整的电池,他们把一块透明的胶体电解质夹在两个电极之间,把它们一起放入一个保护性塑料包装内。斯坦福大学的研究人员创造了原型,并使用它们驱动LED,LED的光可以透过电池本身看到。


崔毅说,从理论上讲,这些电池应该能够存储一半左右的能量,这是比较同等大小的不透明电池而言,因为能量密度和透明度之间有一种权衡。他们可以放上一块较厚的网状电极材料,以储存较多的能量,但是这就意味着较少光线可以透过。


到目前为止,他的实验室原型每公升可存储20瓦时,蓄电量大约相当于一块镍镉电池(nickel-cadmiumbattery),但崔毅希望提高一个量级,这在某种程度上要降低聚合物基板的厚度,也要使容纳电极材料的细槽更深。


另一种方式可以存储更多的能量,又不牺牲透明度,那就是堆叠多个单元格,彼此重叠,要采取这样一种方式,让电极的网格对准,使光线可以透过。到目前为止,这个小组已制成的电极直径有一英寸,但崔毅表示,它们可以做得更大,这种材料可以简单地被切成所需的尺寸。



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