微电池有颗纳米芯 充电时间更短性能更出色

赖斯大学发明的这种纳米结构的锂电池与现在通用的锂电池相比，充电更迅速、电力也更充足。右侧的透射电镜图显示，纳米线被一种PMMA的多聚体包裹着。（图片来源：赖斯大学Ajayan实验室）

美国赖斯大学的科学家最近在微电池制造方面迈出了重要的一步，他们研发出一种结实的立体微电池，这种电池比普通的锂电池充电时间更短，其他性能也更为出色。这项成果可能为遥感、显示屏、智能卡、柔性电子器件以及生物医学设备等领域带来革命性的突破。

这种电池里有着垂直排列的镍—锡纳米线，这些纳米线外面均匀地包裹着一种叫做PMMA的多聚体材料，也就是我们俗称的有机玻璃。PMMA“外衣”能够让超薄电解质层稳定地环绕在纳米结构材料周围，从而使这项存在已久的难题终于得到了解决。

赖斯大学的Pulickel Ajayan及其实验室成员花了一年多的时间，找到了一种可靠的方法，能够将单根纳米线裹上一层平滑的PMMA基胶质电解质。PMMA的主要作用是绝缘，当电流通过时，它能保护里面的纳米线不受反电极的影响。研究者的这项工作在线发表在本周出版的《纳米快报》（Nano Letters）杂志上。

“在普通的电池里，通常会有一个很厚的隔离物将两个电极隔开。”该校机械工程与材料化学教授Ajayan说，“如果能将电池里的东西挨得尽可能近，就可以大大提高电化学效率。但这一直是个很大的挑战。”

Ajayan和他的同事认为，解决这个问题的敲门砖，应该是开发涂层纳米线。应用这种技术开发出来的具有伸缩性的微型器件，将会比普通的薄膜电池具有更大的表面积。“不过说句公道话，你不能用厚度来评判薄膜电池的好坏，因为这关系到锂离子动力学的速度快慢。”Ajavan说。

“我们想弄清怎样把用3D技术设计出来的电池落实到纳米级别的实物上。”Ajayan实验室的研究生Sanketh Gowda说，“通过提高纳米线的高度，我们可以在不改变锂离子扩散距离的同时，提高电池的储能量。”

“说实话，这种电池的3D概念设计早就出来了。”研究的带头人之一Arava Leela Mohana Reddy表示，“但是技术难点在于实际操作中，人们究竟能否给一段较长的纳米线裹上一层完美的PMMA外衣。即使一个很小的失误也会导致全盘失败。”

这项实验主要基于去年该实验室发表在《纳米快报》上的一项研究，当时研究小组研发出了一种共轴的纳米线电缆。

而在这项新的研究中，研究者使用电极沉积的方法，在一块阳极氧化铝模具的孔中造出了一条10微米长的纳米线。然后他们使用简单的化学蚀刻技术将模具上的孔扩大，并注入PMMA材料，将孔中的整条纳米线均匀地包裹起来。最后研究者用化学方法将成品从模具上洗了下来。

研究小组用这种纳米线造出了面积为1平方厘米的微电池，这种电池比相同电极距离的平板电池储能更多、充电更快。“电池是立体的，因此在同样的距离下能够传输更多的能量。”Gowda说。

研究小组还发现，有了PMMA“外衣”，电池的可充电次数也会增多，因为它能够使纳米线和液体电解质之间的隔离环境更加稳定。

最后，研究人员还验证了电池中另一个常见的问题。比如硅电极，它会随着锂离子的来回流动出现膨胀和收缩的现象，长时间体积的变化会损坏电极。那么这种循环效应对纳米线新电池的影响又如何呢？

电子显微图像显示，纳米线在经过了多次的充放电循环后，PMMA薄膜并没有出现破损的情况，甚至连一个小针眼都没有。研究人员认为包膜技术能够抵抗住电极体积的扩大，从而延长了电池的寿命。