隨著電子產品變得越來越小、越來越普遍，設計人員必須不斷尋找新的方法讓電池在更小的空間內可以儲存更多的電力。而且由于這些設備的移動性也越來越強，以可穿戴設備、機器人等的形式出現，這些電池必須更輕，同時仍能承受日常生活中的顛簸和擦傷。

這對技術上來說，是存在極大的難處的，隨著電池體積變小，能量密度需要提高的量級是呈指數級增長，部分原因是電池占用空間的較大部分必須用于保護性包裝。

考慮到這一挑戰，賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的新研究展示了一種構建和封裝微電池的新方法，即使在最小尺寸下也能最大限度地提高能量密度。

重約兩粒米，但具有更大、更重電池的能量密度，研究人員的無包裝設計可以實現許多原本不可能的電子產品。：PennEngineeringToday

研究人員的關鍵發展是一種新型集電器和陰極，它增加了儲存能量的材料比例，同時充當保護殼。這減少了對通常保護電池敏感內部化學品的非導電包裝的需求。

“我們基本上制造了具有雙重功能的集電器，”賓夕法尼亞大學工程機械工程和應用力學系助理教授、該研究的負責人詹姆斯皮庫爾說：“它們既是電子導體，也是防止水和氧氣進入電池的包裝。”

這種額外的空間效率產生的能量密度是當前最先進的微型電池的四倍。研究人員的微型電池設計輕到足以被昆蟲攜帶，為小型飛行微型機器人、壽命更長的植入式醫療設備以及各種原本不可能的物聯網設備打開了大門。

該研究發表在《先進材料》雜志上，由Pikul、他實驗室的博士后學者岳秀軍、伊利諾伊大學厄巴納香檳分校材料科學與工程系教授PaulBraun和JohnCook領導，XerionAdvancedBatteryCorp研發總監

電池以化學鍵的形式儲存能量，當這些鍵斷裂時釋放能量。為了正常工作，這種反應必須只在需要電力時發生，但必須足夠迅速地反應以提供有用的電流量。

為了滿足這些要求的后半部分，微電池歷來需要薄電極。這種薄度允許更多的電子和離子快速通過電極，但代價是儲存能量的化學物質更少，而且設計復雜，難以制造。

研究人員開發了一種制造電極的新方法，使它們變厚，同時還允許快速離子和電子傳輸。傳統的陰極由壓在一起的壓碎顆粒組成，這一過程會導致電極之間產生很大的空間，并且內部結構隨機，當離子通過電池時會減慢它們的速度。

“相反，我們直接從熔鹽浴中沉積陰極，”庫克說，“這使我們比傳統陰極具有巨大優勢，因為我們的陰極幾乎沒有孔隙或氣隙。”

這個過程還調整了陰極的‘原子高速公路’，這意味著鋰離子可以通過最快、最直接的路徑穿過陰極進入設備，提高微電池的功率密度，同時保持高能量密度。

這些重新設計的組件在傳輸離子方面非常有效，以至于它們可以做得足夠厚，可以將儲能化學物質的數量增加一倍，而不會犧牲實際為它們所連接的設備供電所需的速度。結合新的包裝，這些微型電池的能量和功率密度比電池大一百倍，而重量只有兩粒米。

研究人員將繼續研究可以調整以進一步提高性能的化學和物理特征，同時還構建利用這些新電源的可穿戴設備和微型機器人。