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电池难题已解透明手机或将实现

发布时间:2020-02-11 03:44:51 阅读: 来源:贴片机厂家

开发透明的电子设备将会被提上日程,因为科学家解决了最主要的问题:电池。和许多手机用户一样,崔屹也想要一部更有现代感的手机。而和一般消费者不同,这位现年35岁的斯坦福大学的材料科学与工程系副教授、纳米技术专家并不打算把希望完全寄托在手机生产商身上。在他的实验室里,和他的几位博士生一起,崔屹解决了阻碍手持设备变得透明的最大难题,让柔软、透明的手机成为可能:

他的团队制造出了透明的锂离子电池,相关研究结果已经发表在7月末的《美国科学院院刊》上。

手持设备离通体透明只有一步之遥。透明的显示屏目前看起来已经比较成熟—早在去年1月份的国际消费电子展上,三星公司就已经展示了一款拥有14寸有机发光二极管透明屏幕的笔记本,透明度达到40%;而透明的导电材料早已问世,并且已经应用在每一款触屏手机上。虽然芯片和其他电子器件还不透明,但是它们在手持设备里所占的体积并不算大。当透明电池投入商用后,造型科幻的透明设备必然会出现。

今天在手持设备上广泛使用的聚合物锂离子电池,是目前商用电池中能量密度最高的品种。它的正极一般是钴锂、锰锂或者镍锂的氧化物,负极是锂碳层间化合物,电解质则是含有锂盐的凝胶聚合物,锂离子的流动会产生电流,而从充放电反应的可逆性看,锂离子电池反应是比较理想的。但是,在这三种材料中,只有电解质是可以透明的。

目前人们还没有找到透明的电极材料。崔屹和他的团队绕过了材料,从光学角度来考虑这一问题。幸好人的视觉能力有极限。“小于50微米的东西,我们的眼睛就会把它当做透明的。”论文的第一作者、崔屹的博士生杨远说,“因为人眼的最大分辨能力在50微米到100微米之间。”

说起来很容易,但是如何做到这样细的电极也是挑战。崔屹的团队开始尝试制造更细的电极材料,细到只有35微米宽。把这样细的电极材料做成网格状,眼睛就会对它视而不见—就像是我们站在离纱窗比较远的地方,就似乎看不到纱窗一样。

这些研究者开发出一种特别的方法来低成本地制造这种微型纱窗结构,首先从聚二甲基硅氧烷(PDMS)开始。PDMS是一种高分子有机硅化合物,通常被叫做有机硅,而在液态的时候往往被叫做“硅油”。固态的PDMS是广泛使用在集成电路设计领域和生物微机电系统中的材料,它透明、无毒、柔软而有弹性,还具有疏水性—就像荷叶那样不会被水浸湿。

首先,研究者们在硅片上雕出网格状的突起,每根线条都只有35微米宽。把液态PDMS浇在硅片上,放在80℃烤箱中加热3小时,PDMS就变成了固体。把PDMS从硅片上剥下来,就是现成的模版。

接下来,崔屹等人在PDMS模板上镀上一层100纳米厚的黄金薄膜,并用空气等离子处理90秒,让PDMS从疏水变为亲水。接着,把电极材料的悬浮液倒在上面,在毛细管的作用下,电极材料会填满黄金层和PDMS之间的空隙,填充的速度能够达到每秒钟1厘米。等电极材料凝固后,只需要解掉黄金层,就可以获得一片凝结在透明PDMS上的“小纱窗”。

研究者发现,使用纳米尺寸的电极材料比微米尺寸的填充效果要好一些。他们使用锂锰氧化物的这种小网格做为电池的正极,使用尖晶石结构的锂钛氧化物纳米粉末做阴极,在其间灌入凝胶状的电解质—这种电解质同时兼具电解液和隔膜的作用,能够传输锂离子,同时又防止正负两极直接短接。现在,一块透明电池就已经做好了。

新做好的透明电池拥有不错的储电能力。锂锰氧化物的储电密度能够达到每克97毫安时,锂钛氧化物的容量可以达到每克142毫安时,而在经过40个充放电循环之后,还能依然分别保留87%和93%的储能效率。

不过,和传统不透明的锂离子电池相比,透明电池的容量还是不足—它只能达到可怜的每升10瓦时的容量,这大概是传统锂离子电池的1/10。但是,这种新型电池理论容量和传统电池一样。研究者们认为,可以把PDMS基板和电极都做得更薄,以提升储能密度,或者也可以使用侏儒锂钴氧化物这样的电极材料,来让电池的容量上升到每升50瓦时。

如果能够达到每升50瓦时的容量的话,那么就会拥有足够的竞争力了—手持设备中最耗电的器件是液晶显示屏,它几乎占了整个手持设备耗电量的70%;而透明手机所需要的OLED显示屏,耗能比液晶屏要低40%以上。

而且,和OLED显示屏一样,这种电池也是柔性的。也许我们将来可以把手机像手镯一样绕在手腕上,以免起床时找不到它。“现在这种电池的成本和传统电池差不多,而且还可以更低一些。”崔屹在接受采访的时候说,“我想和斯蒂夫·乔布斯谈谈这个。我真的很想要透明的iPhone!”

谁不想要呢?希望我们都不用等太久。

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