可为超低能耗可穿戴设备供电的3D微型电池

健身追踪器、智能手表、智能耳机等不可思议的可穿戴设备是新电子时代的第一波浪潮。大多数电池都受到电池电量有限的困扰，因此下一波——一组微型传感器将自动向其他设备传输数据，俗称物联网(IoT)——将依靠电池技术的革命。提示3D微型电池。

电池是如何工作的？

电池有一个负电极(阴极)和一个正电极(阳极)，它们由金属制成，它们之间有一个不导电的电解质，支持带电原子(通常是锂离子)在彼此之间移动。当所有这些原子都在正极时，电池需要充电，然后这些原子(现在有电子)会以另一种方式移动。

考虑到几乎所有便携式电子产品(从电话和相机到蓝牙耳机和可穿戴设备)中标准锂离子电池的尺寸限制，科学家们一直在寻找更小、更高效的设计。

什么是3D电池？

3D电池是对现有电池结构的完全重新设计，以使其更坚固或更小。3D电池有3D形状的阳极和阴极，而不是阳极层(电解质层)和阴极层，更像拼图。这种设计增加了阴极和阳极的表面积，可以容纳更多的锂离子，从而提供更大的功率，或者比传统电池小很多倍。3D设计有效提高了电池的能量密度。

加州大学洛杉矶分校做了什么？

加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员创造了一种功能强大的3D锂离子电池，其含盐量不超过100粒。在他们今年5月发表于Joule的论文《高地区能源密度3D锂离子微型电池》中，他们不仅概述了3D电池，还概述了一种通过使用与制造电子电路相同的技术来构建3D电池的新方法——这一点至关重要，因为尽管理论上更好，但迄今为止，3D电池已被证明很难制造。

3d电池设计图UCLA开发的3D电池。图像：Hur等人/焦耳(图像：Hur等人/焦耳)。

加州大学洛杉矶分校团队的“同心管”设计使用多层3D阳极柱而不是层，同时阳极柱被薄的可光图案化的聚合物电解质层覆盖，柱之间的区域用阴极材料填充。最终能量密度为每平方厘米5.2毫瓦小时，对于3D电池来说相当不错。然而，对于微型设备来说，更重要的是它们的小尺寸：只有0.09平方厘米。哇哦。

这有多重要？

3d电池设计图3D电池是一种新型的电池架构。图像：Hur等人/焦耳(图像：Hur等人/焦耳)。

在组件、组装和封装方面需要做更多的工作，但这可能意味着用于物联网应用的3D微型电池更容易制造。加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授、该报告的资深作者布鲁斯邓恩说：“对于小型传感器，你需要重新设计电池，使其看起来像纽约的摩天大楼，而不是加州的牧场。”团队使用阴极柱。

“这就是3D电池的工作原理。我们可以使用半导体技术和共形电解质，使电池与小型网络设备兼容。”

立即充电电池。

手表型电池的形象物联网将需要灵活的电池，可以立即充电。学分：CC0知识共享。

如果能快速充电，电池能储存的电量就变得不那么重要了。想想苹果AirPods等“真正无线”的耳机；如果它们可以在一分钟内充电，有人关心电池实际使用多长时间吗？如果这些电池可以在不到一秒钟的时间内充电，会怎么样？

康奈尔大学做了什么？

康奈尔大学的一个团队已经证明了制造3D电池的另一种方式，这可能意味着可穿戴设备和物联网设备几乎可以立即充电，从而缠绕电池内部的组件。他们没有采用标准的阴极电解液阳极设计，而是设计了一种3D螺旋结构，其中包含了数千个纳米级的孔洞，这些孔洞填充了电池所有常用的部件。

材料科学与工程系的工程学教授Ulrich Wiesner说：“这真的是一个革命性的电池架构。这种三维架构从根本上消除了设备死体积带来的所有损失。”他还指出，通过将所有东西缩小到纳米尺度，你将获得更高的功率密度。“因此，与传统的电池架构相比，您可以在更短的时间内获得能量。”

那么它的3D电池充电速度有多快呢？威斯纳说：“当你把电缆插入插座时，只需要几秒钟甚至更快就能给电池充电。”团队论文《用于电力存储的嵌段共聚物衍生的3-D互穿多功能回旋纳米复合材料》发表于2018年5月《能源与环境科学》。

可穿戴电池的柔性电池。

这两款3D电池正试图为锂离子电池注入新的活力，但也有人认为，灵活(甚至可拉伸)的可穿戴设备需要全新的电池——智能衣服适合不断追求健身的人。发送各种物理指标的数据。

高尔夫球手在健身市场上佩戴智能手表可穿戴设备的形象可能最终会具有“机械灵活性”。信用：嘉明公司(来源：嘉明公司)

一组韩国研究人员在《材料化学杂志》年发表的一篇论文中讨论了锂硫电池。

随着物联网呈指数级增长，到2023年，仅可穿戴式健身追踪器市场的价值就将达到482亿美元，对拥有更高容量，可快速充电并可以充电的微型电池的需求将不断增长和增长。甚至弯曲和弯曲-谁拥有更大的力量，谁就能使其首先在商业上可行。