加利福尼亚大学圣地亚哥分校和总部位于加利福尼亚的ZPower公司的研究人员开发了一种灵活的可充电氧化银锌 (AgO-Zn) 电池，其面能量密度是锂离子 (Li-ion) 电池的 5 到 10 倍. 高功率能量密度使可充电银锌电池适用于下一代消费电子产品，包括物联网设备和可穿戴设备。
这一突破是通过利用 ZPower 的专有技术以及加州大学圣地亚哥分校纳米工程团队开发的特殊墨水和表征技术实现的。据研究人员称，与大多数需要在真空无菌条件下制造的柔性电池相比，这种电池在正常条件下使用丝网印刷工艺制造，有助于降低成本和可扩展性。
对于电池，研究人员使用了 ZPower 的专有阴极设计和化学成分，而加州大学圣地亚哥分校的团队则利用了他们在可印刷、可拉伸传感器和可拉伸电池方面的专业知识，以及电化学储能系统的高级表征。
研究人员表示，这些电池还可以根据尺寸和容量进行定制，室温下的面积容量为每平方厘米 50 毫安，是典型锂离子电池的 10 到 20 倍。这意味着研究人员在相同表面积下测试的电池的功率增加了 5 到 10 倍。
除了提高电池性能外，研究的另一个重点是通过使用低成本的可扩展生产工艺、基于聚合物的柔性架构和定制的墨水配方来改进制造工艺。
该团队的研究结果发表在《焦耳》杂志上。陆寅，该论文的共同第一作者之一，博士生导师。加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Joseph Wang 研究小组的学生在一份声明中表示，这些“电池可以围绕电子设备设计，而不是围绕电池设计电子设备。”
“这种面积能力以前从未获得过，”尹说。“而且我们的制造方法经济实惠且可扩展。”
电池的能量密度归功于 AgO-Zn 化学成分，这与大多数使用 Ag2O-Zn 化学成分的商用柔性电池不同，后者的循环寿命有限，小于 50 次循环，容量低（原电池<12 mAh/cm 2根据加州大学圣地亚哥分校的研究论文，二次电池<3 mAh/cm 2），以及在运行期间导致大电压降的高内阻（~102 Ω）。这些特点限制了银锌电池的应用。
为了解决这些限制，研究人员使用了专有的 AgO 阴极材料。研究人员表示，尽管传统上认为 AgO 不稳定，但 ZPower 的 AgO 阴极材料使用专有的氧化铅涂层来提高 AgO 的电化学稳定性和导电性。AgO-Zn 化学成分还使电池具有低阻抗。进一步降低阻抗的是电池的印刷集电器，它们表现出“出色的导电性”。
据研究人员称，这种新电池的容量比目前市场上任何一种柔性电池都要高，因为这种电池的阻抗要低得多。“阻抗越低，电池对大电流放电的性能越好。”
根据该论文，在测试柔性 AgO-Zn 电池作为二次电池（可充电）的电化学性能期间的阻抗测量显示，在循环过程中阻抗较低。测试结果还表明，与以前的研究相比，不稳定的 AgO 氧化态的循环寿命可以通过显着增加的循环寿命来控制。
为了确定电池的阻抗，研究人员在全电池循环期间使用直流内阻 (DCIR) 方法或在分离的阳极和阴极半电池循环期间使用 Zn 箔作为参考的 3 电极配置.
研究人员表示，3 电极阻抗结果提供了对提高电池循环寿命和性能的可能方法的深入了解。它还表明 AgO 阴极的阻抗是电池阻抗的主要部分。
为了展示电池性能，研究人员为一个灵活的电子墨水显示系统供电，该系统带有一个集成的微控制器和蓝牙模块，需要脉冲大电流放电。调查结果表明，该电池的性能优于纽扣锂电池，并且印刷的电池充电了 80 多个周期，没有任何“容量损失的主要迹象”。此外，即使在反复弯曲和扭曲之后，它们仍能保持功能。
但首先，研究人员需要开发一种新工艺来制造电池。一个障碍是找到合适的墨水配方以使 AgO 可用于印刷。据研究人员称，AgO 从未用于丝网印刷电池，因为它具有高度氧化性并且化学降解迅速。
一旦他们开发出正确的墨水配方，电池就可以在几秒钟内打印出来，并在几分钟内准备好使用。此外，电池可以以片对片或卷对卷工艺打印，从而提高制造速度和可扩展性。
研究人员还开发了可打印的柔性隔膜和固相 KOH-PVA 水凝胶，以实现低调的堆叠夹层结构。电池被印刷在可热封的高熔点（约 200°C 或 400°F）聚合物薄膜上。集电器、锌阳极、AgO 阴极和它们相应的隔板各自构成堆叠的丝网印刷层。
研究人员表示，全印刷、柔性和可充电 AgO-Zn 电池的制造和组装过程可用于制造具有“可调节”面积容量的不同电池尺寸，从而实现为特定应用量身定制的可定制电池外形尺寸。
该团队认为，它为可印刷柔性电池的进一步发展树立了新的标杆。其他工作将包括进一步优化制造工艺、油墨成分以及层厚和孔隙率。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程团队和 ZPower 都在为 5G 设备和软机器人开发更便宜、更快的充电电池。
审核编辑 黄昊宇