加利福尼亞大學圣地亞哥分校和總部位于加利福尼亞的ZPower公司的研究人員開發了一種靈活的可充電氧化銀鋅 (AgO-Zn) 電池，其面能量密度是鋰離子 (Li-ion) 電池的 5 到 10 倍. 高功率能量密度使可充電銀鋅電池適用于下一代消費電子產品，包括物聯網設備和可穿戴設備。

這一突破是通過利用 ZPower 的專有技術以及加州大學圣地亞哥分校納米工程團隊開發的特殊墨水和表征技術實現的。據研究人員稱，與大多數需要在真空無菌條件下制造的柔性電池相比，這種電池在正常條件下使用絲網印刷工藝制造，有助于降低成本和可擴展性。

對于電池，研究人員使用了 ZPower 的專有陰極設計和化學成分，而加州大學圣地亞哥分校的團隊則利用了他們在可印刷、可拉伸傳感器和可拉伸電池方面的專業知識，以及電化學儲能系統的高級表征。

研究人員表示，這些電池還可以根據尺寸和容量進行定制，室溫下的面積容量為每平方厘米 50 毫安，是典型鋰離子電池的 10 到 20 倍。這意味著研究人員在相同表面積下測試的電池的功率增加了 5 到 10 倍。

除了提高電池性能外，研究的另一個重點是通過使用低成本的可擴展生產工藝、基于聚合物的柔性架構和定制的墨水配方來改進制造工藝。

該團隊的研究結果發表在《焦耳》雜志上。陸寅，該論文的共同第一作者之一，博士生導師。加州大學圣地亞哥分校納米工程教授 Joseph Wang 研究小組的學生在一份聲明中表示，這些“電池可以圍繞電子設備設計，而不是圍繞電池設計電子設備。”

“這種面積能力以前從未獲得過，”尹說。“而且我們的制造方法經濟實惠且可擴展。”

電池的能量密度歸功于 AgO-Zn 化學成分，這與大多數使用 Ag2O-Zn 化學成分的商用柔性電池不同，后者的循環壽命有限，小于 50 次循環，容量低（原電池<12 mAh/cm 2根據加州大學圣地亞哥分校的研究論文，二次電池<3 mAh/cm 2），以及在運行期間導致大電壓降的高內阻（~102 Ω）。這些特點限制了銀鋅電池的應用。

為了解決這些限制，研究人員使用了專有的 AgO 陰極材料。研究人員表示，盡管傳統上認為 AgO 不穩定，但 ZPower 的 AgO 陰極材料使用專有的氧化鉛涂層來提高 AgO 的電化學穩定性和導電性。AgO-Zn 化學成分還使電池具有低阻抗。進一步降低阻抗的是電池的印刷集電器，它們表現出“出色的導電性”。

據研究人員稱，這種新電池的容量比目前市場上任何一種柔性電池都要高，因為這種電池的阻抗要低得多。“阻抗越低，電池對大電流放電的性能越好。”

根據該論文，在測試柔性 AgO-Zn 電池作為二次電池（可充電）的電化學性能期間的阻抗測量顯示，在循環過程中阻抗較低。測試結果還表明，與以前的研究相比，不穩定的 AgO 氧化態的循環壽命可以通過顯著增加的循環壽命來控制。

為了確定電池的阻抗，研究人員在全電池循環期間使用直流內阻 (DCIR) 方法或在分離的陽極和陰極半電池循環期間使用 Zn 箔作為參考的 3 電極配置.

研究人員表示，3 電極阻抗結果提供了對提高電池循環壽命和性能的可能方法的深入了解。它還表明 AgO 陰極的阻抗是電池阻抗的主要部分。

為了展示電池性能，研究人員為一個靈活的電子墨水顯示系統供電，該系統帶有一個集成的微控制器和藍牙模塊，需要脈沖大電流放電。調查結果表明，該電池的性能優于紐扣鋰電池，并且印刷的電池充電了 80 多個周期，沒有任何“容量損失的主要跡象”。此外，即使在反復彎曲和扭曲之后，它們仍能保持功能。

但首先，研究人員需要開發一種新工藝來制造電池。一個障礙是找到合適的墨水配方以使 AgO 可用于印刷。據研究人員稱，AgO 從未用于絲網印刷電池，因為它具有高度氧化性并且化學降解迅速。

一旦他們開發出正確的墨水配方，電池就可以在幾秒鐘內打印出來，并在幾分鐘內準備好使用。此外，電池可以以片對片或卷對卷工藝打印，從而提高制造速度和可擴展性。

研究人員還開發了可打印的柔性隔膜和固相 KOH-PVA 水凝膠，以實現低調的堆疊夾層結構。電池被印刷在可熱封的高熔點（約 200°C 或 400°F）聚合物薄膜上。集電器、鋅陽極、AgO 陰極和它們相應的隔板各自構成堆疊的絲網印刷層。

研究人員表示，全印刷、柔性和可充電 AgO-Zn 電池的制造和組裝過程可用于制造具有“可調節”面積容量的不同電池尺寸，從而實現為特定應用量身定制的可定制電池外形尺寸。

該團隊認為，它為可印刷柔性電池的進一步發展樹立了新的標桿。其他工作將包括進一步優化制造工藝、油墨成分以及層厚和孔隙率。加州大學圣地亞哥分校的納米工程團隊和 ZPower 都在為 5G 設備和軟機器人開發更便宜、更快的充電電池。

審核編輯 黃昊宇