中國粉體網(wǎng)訊 據(jù)科技日報報道， 隨著機(jī)器人設(shè)備逐漸縮小，對微米尺度電池的需求日益迫切。美國麻省理工學(xué)院工程師設(shè)計出一款新的微型電池，可為體內(nèi)膠體機(jī)器人、傳感器等微米級設(shè)備供電。這些設(shè)備未來或能用于人體內(nèi)藥物輸送、天然氣管道泄漏定位等領(lǐng)域。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《科學(xué)·機(jī)器人》雜志。
新電池長100微米，厚2微米，是一款鋅空氣電池。與其他類型的電池相比，鋅空氣電池能量密度更高、壽命更長。該電池從空氣中捕獲氧氣，可產(chǎn)生高達(dá)1伏的開路電壓，能量密度達(dá)到760瓦時/升，足以為一個微型電路、傳感器或執(zhí)行器供電。這款電池由鉑電極和鋅電極組成，鋅電極嵌入名為SU-8的聚合物條內(nèi)。當(dāng)電極與空氣中的氧分子相互作用時，鋅被氧化并釋放出流向鉑電極的電子，從而產(chǎn)生電流。
鋅空氣電池
鋅空氣電池（ZABs）是一種高效的能源存儲于轉(zhuǎn)換裝置，該電池主要由空氣正極、鋅負(fù)極、堿性電解液以及隔膜等關(guān)鍵部件組成，它們各自發(fā)揮獨特的作用，共同構(gòu)成了一個完整的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。空氣正極通常包括電流捕集層、催化劑層和防水透氣層，它們能夠直接決定ZABs的充放電效率和功率密度，負(fù)責(zé)著ZABs在充電時的OER過程和放電時的ORR過程。而正極材料一般來源于空氣中的O2，當(dāng)電池放電時，O2會先溶解于堿性電解液中，隨后擴(kuò)散到催化劑層并與催化劑的表面形成氣、固和液三相界面。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，O2會被還原為OH-，并進(jìn)一步擴(kuò)散到鋅負(fù)極并與之發(fā)生反應(yīng)，而充電過程則與之相反。
鋅空氣電池電解質(zhì)
作為離子導(dǎo)體的電解質(zhì)是鋅-空氣電池的核心部件之一，因為它在放電-充電過程中起著重要作用，并極大地影響電池的可充電性、工作電壓、壽命、功率密度和安全性。
鋅-空氣電池的電解質(zhì)大致可分為液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)。傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)一般使用堿性水電解液，其中KOH具有高的離子電導(dǎo)性、低粘度、低成本以及低的工作溫度被廣泛使用。液態(tài)的電解質(zhì)根據(jù)pH值和離子類型可分為堿性水電解質(zhì)、非堿性水電解質(zhì)（如近中性電解質(zhì)）、雙電解質(zhì)和離子液體。固態(tài)電解質(zhì)大致可分為陰離子交換膜、電解質(zhì)儲存膜和凝膠聚合物電解質(zhì)。
可充電鋅-空氣電池的電解質(zhì)的分類
固態(tài)鋅空氣電池
今年5月，韓國浦項科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究團(tuán)隊成功開發(fā)出一種高容量、高效率的全固態(tài)鈉空氣電池，無須特殊設(shè)備就能可逆地利用鈉（Na）和空氣。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。在本研究中，團(tuán)隊使用了一種名為NASICON的固體電解質(zhì)。NASICON由鈉、硅（Si）和鋯（Zr）等元素組成，能在固體中進(jìn)行離子移動，同時表現(xiàn)出很高的電化學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，有效解決了碳酸鹽堵塞問題。研究人員表示，這種基于固體電解質(zhì)的電池平臺可在環(huán)境條件下保持穩(wěn)定，提供寬電壓范圍，有望引領(lǐng)全固態(tài)金屬－空氣電池步入“下一代”。
鋅空氣電池的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
人們對ZABs的研究與發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，最初主要將其用于軍事和特殊應(yīng)用領(lǐng)域。自21世紀(jì)開始，隨著科技的進(jìn)步和社會對能源需求的增加，人們開始探索更加廣泛的應(yīng)用場景，尤其是在便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車等領(lǐng)域。
到目前為止，ZABs的設(shè)計與研究已經(jīng)取得了顯著的技術(shù)突破。盡管如此，將ZABs應(yīng)用于實踐時仍需克服許多挑戰(zhàn)。主要涉及電池的可循環(huán)使用壽命、充電與放電的效率，及其在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用時所面臨的成本效益問題。
未來的研究將重點關(guān)注以下三個方向：提升電池的整體性能、減少生產(chǎn)成本并擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。利用材料科學(xué)和納米技術(shù)的最新進(jìn)展，研究和開發(fā)更為高效的電催化劑及更穩(wěn)定的電極材料，增加電池的能量密度并提高其循環(huán)穩(wěn)定性，是實現(xiàn)ZABs商業(yè)化應(yīng)用的必由之路。還要通過開發(fā)低成本材料并改進(jìn)生產(chǎn)工藝，來降低ZABs的制造成本，進(jìn)而推動其在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括大規(guī)模能源存儲和電動汽車等。此外，通過系統(tǒng)優(yōu)化和管理技術(shù)的創(chuàng)新，來提高電池系統(tǒng)的整體效率和可靠性，拓展其在可穿戴設(shè)備、便攜式電源以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
參考來源：
1、科技日報：為微米級設(shè)備供電的鋅空氣電池面世
2、鈦媒體：新型高能效全固態(tài)鈉空氣電池問世
3、李文明.固態(tài)鋅-空氣電池的凝膠聚合物電解質(zhì)的研究
4、范文萍.過渡金屬硫化物在鋅-空氣電池中的應(yīng)用探究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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