可穿戴設備遲遲無法解決的能耗問題 3D 微電池技術有望可以解決

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健身追蹤，智能手錶，現在市場上有越來越多的這類智能穿戴產品湧現出來， 不過對於消費者來說，他們似乎還沒有找到足夠的理由來說服自己來購買這些看似並不太必要的設備，也由於目前可穿戴設備的電池耗能和隨之而來的續航問題，這些產品也並不受消費者的喜歡，而現在隨著 5G 技術的物聯網的成熟，對於這類的微型智能設備的需求越來越大，人們需要這些產品來作為數據傳輸的關鍵工具，而要解決這個棘手的續航問題，下面提到的 3D 微電池技術就能起到很大的用場了。

在談到這項技術前，我們先了解一下傳統電池是如何工作的，首先電池都有一個金屬陰極和陽極，在它們之間具有非導電電解質，該電解質讓帶電原子（通常是鋰離子）在彼此之間移動，當所有這些原子都移動到了正極時，電池就需要再充電，讓電解質中的帶電原子（也就是充電後的電子）在放電時向相反方向移動。

不過這些搭載到攜帶型設備（不管是手機，相機，藍牙耳機還是可穿戴設備）的鋰離子電池通常都會受到尺寸上的限制，他們的性能往往無法達到讓人滿意的程度，為此科學家們也一直在探索更小，更迷你和更節能的電池設計方案，比如這種 3D 微電池技術。

相比起傳統電池，3D電池對現有電池的構造進行了重新設計，使它們性能更強大，尺寸上也更小，3D 電池代替了傳統電池的陽極層、電解質層和陰極層組合設計，而是將電池的陰極和陽極進行了 3D 形狀重新設計，大大增加了陰極和陽極的表面積，可以容納更多的鋰離子，提供更多的功率，在增加電池能量密度的同時縮減了電池尺寸。

美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員已經製造出一種功能強大的3D鋰離子電池，其容量尺寸不超過100粒鹽大小，在今年5月發表在《焦耳》雜誌上的論文《高區域能量密度3D鋰離子微電池》中，他們不僅概述了該種 3D電池，而且提出了一用於製造電子電路相同技術構造3D電池的新方法，他們的電池「同心管」設計使用的3D 電池金屬陽極柱被一層薄薄的光圖案化聚合物電解質覆蓋，柱子之間的區域由陰極材料填充，最終使得能量密度為每平方厘米 5.2 毫瓦小時，這對於3D電池來說是相當強大的性能提升，而更為重要的是它的小尺寸（只有0.09平方厘米）可以讓其更多的應用到可穿戴微型智能設備中。

但同時也意味著在物聯網應用中，這類 3D 微電池將會發揮巨大的作用，我們可以用半導體工藝和適形電解質來製造這樣一種可以滿足小型物聯網設備的電池，雖然現在在電池的元件、組裝和封裝方面，還需要很多的工作投入，但是這些工作的處理上並不會太困難。

另一方面， 物聯網技術要求的也是一種需要即刻充電和柔性電池，試想一下，如果電池能很快充滿電，那麼它所能儲存的電量就變得不那麼重要了，比如說，如果蘋果 AirPods 和其他無線耳機能在一分鐘內充電，還有人會關心電池實際能持續多久嗎？如果這些電池能在不到一秒鐘的時間內充滿電又會如何呢？

在這方面，美國康奈爾大學的一個研究小組美國就想出了這種瞬時充電方案，他們打造的3D電池有望讓可穿戴和物聯網設備幾乎可以實現瞬時充電效果，他們替代了標準的陰極-電解質-陽極設計，而是設計了一個具有數千個納米級孔隙的3D陀螺狀結構，將電池內的各種常規部件都連接起來，研發人員，也是材料科學與工程系工程學教授的 Ulrich Wiesner 對此表示，這是一種革命性的電池結構，這種三維結構基本上消除了設備受到體積限制造成的所有密度損失，他還指出，通過將所有組件縮小到納米級，可以讓電池得到數量級更高的功率密度，因此可以在更短的時間內比傳統電池架構獲取更多的電池能量。

那麼這種 3D 電池的充電速度到底有多快呢？當你把你的電纜放入插座上， Wiesner 在研究小組於2018年5月發表在《能源和環境科學》上的論文《用於電能存儲的三維互穿多功能陀螺形納米雜化材料》中提到，使用這種技術的 3D 電池充電時間，只需要幾秒鐘，甚至更快。

無論是迷你型 3D 電池，還是瞬時充電 3D 電池，這兩種新電池技術都將給傳統的鋰離子電池注入新的活力，而有些人也認為，可穿戴設備還需要一種全新的電池，也就是柔性電池，因為他們需要更多的裝載到智能服裝和其他健身設備上，向發布發送數據，而這種電池的開發目前正在由一組韓國研發團隊進行，他們使用一種全纖維的陰極分離器和碳納米管來製造金屬箔形狀因子，除了讓電池實現機械性變形效果，還能讓這類柔性電池的能量密度大幅度提升。

隨著物聯網技術正在以指數級形式增長，可穿戴設備的市場也在不斷擴張，據估計到2023 年，該市場的估值約為482 億美元，而該市場同時對這種可以快速充電，摺疊和伸展的微型電池的需求非常旺盛， 其商業化價值巨大。

來源：techradar

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