美科学家正在研制发泡铜电池

来源：中国科学报 发布时间：2013-11-14

　　想象一下如下场景：你用手机中的GPS搜寻附近评价较高的咖啡馆。到了咖啡馆，在排队间歇，你用手机来自拍，并分享到社交网络。开始品尝到手的拿铁时，你的眼睛可能又会盯着手机播放的电影。

　　上述场景对很多人来说都不陌生，但其存在的前提则是手机电池一直有电。

　　其实，电池一直是制约智能手机发展的瓶颈之一。并且，除了智能手机，太阳能电站、风电场也深受电池技术限制。这些场所亟需廉价、耐用且电量高的电池来存储电能。

　　“电池几乎成为了所有用电设备的‘软肋’。”美国科罗拉多州立大学化学家Amy Prieto说。

　　为此，她成立了一家专门研制电能存储设备的公司。该公司将推出一款比现有锂离子电池更安全、更廉价、充电更快并且对环境更为友好的新型电池——发泡铜电池。

　　目前市面上的电池存在售价高、易发热、寿命短且制造过程会污染环境等一系列缺点。但在Amy Prieto看来，其中有两个缺点最为重要：能量密度低和功率密度低。

　　她解释说，前者指传统电池在现有体积的前提下，很难保证智能手机拥有两天以上的续航时间；后者则指电池充电时间长达数小时，而不是几分钟。

　　Amy Prieto团队通过重新设计一系列电池组件，如铜锑化物负极和聚合物电解质材料等来解决上述问题。其中，最为重要的设计是，该团队利用一种发泡金属——发泡铜来充当电池负极上的集流体（即将负责电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出的部件）。

　　Amy Prieto说，相比平面电极，发泡铜材料因具有较大的表面积，可以显著提升电池的能量密度和功率密度。

　　“而且这种器件还比较容易制造。”Amy Prieto介绍，他们先在发泡铜材料上镀上由铜锑化物材料制成的负极。然后，将负极放置到特定溶液中，让固体电解质在电化学聚合反应的作用下，沉积到负极上面。最后，研究人员用一张铝网作为电池阳极，制作成电池。

　　Amy Prieto估计这种电池的制造成本仅为传统锂离子电池成本的一半。同时，在拥有同样的电量的前提下，其体积仅为传统电池的三分之二，且充电时间缩短为五到十分之一，寿命却增加了十倍。

　　更为重要的是，这种新型电池还具有更为安全和环保的特性。首先，固体电解质的自燃风险要比液体电解质小得多。另外，在整个制造过程中，该团队选择水而不是其他化学物质来作为基本反应物。“之前我认为这是不可能的，但至少目前来看，用水的效果很好。”Amy Prieto说。

　　目前，该团队已经成功在一块铜板上制造了电池的二维模型，正在开展三维电池模型试验。“一年之后，电池原型即会面世，届时，我们将请第三方机构对其进行测试。”Amy Prieto说，“此后，我们还将开展小规模的市场测试。”

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