可穿戴设备迟迟无法解决的能耗问题3D微电池技术有望可以解决

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健身追踪，智能手表，现在市场上有越来越多的这类智能穿戴产品涌现出来， 不过对于消费者来说，他们似乎还没有找到足够的理由来说服自己来购买这些看似并不太必要的设备，也由于目前可穿戴设备的电池耗能和随之而来的续航问题，这些产品也并不受消费者的喜欢，而现在随着 5G 技术的物联网的成熟，对于这类的微型智能设备的需求越来越大，人们需要这些产品来作为数据传输的关键工具，而要解决这个棘手的续航问题，下面提到的 3D 微电池技术就能起到很大的用场了。

在谈到这项技术前，我们先了解一下传统电池是如何工作的，首先电池都有一个金属阴极和阳极，在它们之间具有非导电电解质，该电解质让带电原子（通常是锂离子）在彼此之间移动，当所有这些原子都移动到了正极时，电池就需要再充电，让电解质中的带电原子（也就是充电后的电子）在放电时向相反方向移动。

不过这些搭载到便携式设备（不管是手机，相机，蓝牙耳机还是可穿戴设备）的锂离子电池通常都会受到尺寸上的限制，他们的性能往往无法达到让人满意的程度，为此科学家们也一直在探索更小，更迷你和更节能的电池设计方案，比如这种 3D 微电池技术。

相比起传统电池，3D电池对现有电池的构造进行了重新设计，使它们性能更强大，尺寸上也更小，3D 电池代替了传统电池的阳极层、电解质层和阴极层组合设计，而是将电池的阴极和阳极进行了 3D 形状重新设计，大大增加了阴极和阳极的表面积，可以容纳更多的锂离子，提供更多的功率，在增加电池能量密度的同时缩减了电池尺寸。

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员已经制造出一种功能强大的3D锂离子电池，其容量尺寸不超过100粒盐大小，在今年5月发表在《焦耳》杂志上的论文《高区域能量密度3D锂离子微电池》中，他们不仅概述了该种 3D电池，而且提出了一用于制造电子电路相同技术构造3D电池的新方法，他们的电池“同心管”设计使用的3D 电池金属阳极柱被一层薄薄的光图案化聚合物电解质覆盖，柱子之间的区域由阴极材料填充，最终使得能量密度为每平方厘米 5.2 毫瓦小时，这对于3D电池来说是相当强大的性能提升，而更为重要的是它的小尺寸（只有0.09平方厘米）可以让其更多的应用到可穿戴微型智能设备中。

但同时也意味着在物联网应用中，这类 3D 微电池将会发挥巨大的作用，我们可以用半导体工艺和适形电解质来制造这样一种可以满足小型物联网设备的电池，虽然现在在电池的元件、组装和封装方面，还需要很多的工作投入，但是这些工作的处理上并不会太困难。

另一方面， 物联网技术要求的也是一种需要即刻充电和柔性电池，试想一下，如果电池能很快充满电，那么它所能储存的电量就变得不那么重要了，比如说，如果苹果 AirPods 和其他无线耳机能在一分钟内充电，还有人会关心电池实际能持续多久吗？如果这些电池能在不到一秒钟的时间内充满电又会如何呢？

在这方面，美国康奈尔大学的一个研究小组美国就想出了这种瞬时充电方案，他们打造的3D电池有望让可穿戴和物联网设备几乎可以实现瞬时充电效果，他们替代了标准的阴极-电解质-阳极设计，而是设计了一个具有数千个纳米级孔隙的3D陀螺状结构，将电池内的各种常规部件都连接起来，研发人员，也是材料科学与工程系工程学教授的 Ulrich Wiesner 对此表示，这是一种革命性的电池结构，这种三维结构基本上消除了设备受到体积限制造成的所有密度损失，他还指出，通过将所有组件缩小到纳米级，可以让电池得到数量级更高的功率密度，因此可以在更短的时间内比传统电池架构获取更多的电池能量。

那么这种 3D 电池的充电速度到底有多快呢？当你把你的电缆放入插座上， Wiesner 在研究小组于2018年5月发表在《能源和环境科学》上的论文《用于电能存储的三维互穿多功能陀螺形纳米杂化材料》中提到，使用这种技术的 3D 电池充电时间，只需要几秒钟，甚至更快。

无论是迷你型 3D 电池，还是瞬时充电 3D 电池，这两种新电池技术都将给传统的锂离子电池注入新的活力，而有些人也认为，可穿戴设备还需要一种全新的电池，也就是柔性电池，因为他们需要更多的装载到智能服装和其他健身设备上，向发布发送数据，而这种电池的开发目前正在由一组韩国研发团队进行，他们使用一种全纤维的阴极分离器和碳纳米管来制造金属箔形状因子，除了让电池实现机械性变形效果，还能让这类柔性电池的能量密度大幅度提升。

随着物联网技术正在以指数级形式增长，可穿戴设备的市场也在不断扩张，据估计到2023 年，该市场的估值约为482 亿美元，而该市场同时对这种可以快速充电，折叠和伸展的微型电池的需求非常旺盛， 其商业化价值巨大。

来源：techradar