到目前为止,还没有一种电池能够将高存储容量和快速充电与高安全性结合起来。在瑞士国家科学基金会 (SNSF) 的支持下,Empa 的 Yaroslav Romanyuk 研究小组现已开发出结合了所有三种特性的堆叠薄膜固态电池的原型。
传统的锂离子电池也用于手机或电动汽车,在较小的空间内储存大量能量,但充电和放电相对较慢。这使得它们不适合需要特别高性能的应用,例如电动飞机的起飞和着陆。此外,这些电池中的导电物质是液体且易燃——存在重大安全隐患。
因此,固态电池被寄予厚望。它们使用固体、不易燃的电解质,因此非常安全,它们还提供高性能。然而,此前市场上销售的薄膜固态电池的存储容量有限。因此,它们仅适用于能源需求较低的应用,例如起搏器等医疗设备或智能卡等小型电子产品。
大约 10 年来,Empa 的科学家们一直致力于开发一种集能源、动力和安全于一体的薄膜电池。他们将成果发表在《通讯化学》杂志上。
该研究的第一作者莫里茨·富彻(Moritz Futscher)解释说:“我们利用光伏实验室在薄膜技术方面的专业知识,通过使用物理真空沉积的特殊工艺在基板上沉积电池材料薄膜。” 通过采用这一过程,科学家们能够增加原型的能量存储容量。“要做到这一点,我们必须找到一种方法来提高电池的能量密度,换句话说,减少基板的重量份额,”他说。
他们的解决方案是将两个薄膜电池堆叠在同一基板上。“最困难的部分是连接两个细胞。这就是真空沉积对于建立大约人类头发厚度 1/100 的稳定连接并将细胞精确地沉积在彼此之上至关重要的地方,”Futscher 补充道。
科学家进行的测试表明,只需一分钟即可给原型机充电,而模拟表明,这种电池设计有潜力与当前和未来的锂离子电池的储能能力相媲美。
尽管第一个实验室原型目前仅由两个电池组成,但科学家们设想能够在同一基板上堆叠更多的电池。“我们的模拟表明,最佳数量约为 10 个细胞,此后基质重量就起边际作用,”Futscher 说。
考虑到制造这些电池的初始成本非常高,它们往往被保留用于能源、电力和安全性至关重要但成本不是主要障碍的应用。例如,它们可以用于飞机、无人机或卫星。
论文:Monolithically-stacked thin-film solid-state batteries
参考链接:Durch Schichten zu leistungsfähigeren Batterien
Demi Xia编译