新材料可以实现更持久的植入式电池

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延时系列图像显示新型电池在几天内完全放电。在放电过程中，电池中的新“阴极电解液”材料会化学转化为微红色化合物，因此放电次数越多，颜色越深。
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图片：由研究人员提供

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在传统起搏器电池中，约 50% 的电池重量是非活性材料。但在采用氟化“阴极电解液”材料的新设计中，自重有可能减少至 20% 左右。
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在过去的几十年里，电池研究主要集中在可充电锂离子电池上，这种电池广泛应用于从电动汽车到便携式电子产品的各种领域，并且在经济性和容量方面有了显着提高。但是，尽管不可充电电池在起搏器等植入式医疗设备等许多重要用途中发挥着至关重要的作用，但在那段时间里，它们几乎没有取得什么进步。

 

现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种提高这些不可充电电池或“一次”电池能量密度的方法。他们表示，在给定功率或能量容量的情况下，它可以使使用寿命增加高达 50%，或者相应减小尺寸和重量，同时还可以提高安全性，而几乎不会增加成本。

 

麻省理工学院卡瓦诺博士后研究员高海宁（麻省理工学院卡瓦诺分校研究生 Alejandro）今天在《美国国家科学院院刊》杂志上发表了一篇论文，报告了这一新发现，其中涉及用一种对能量输送具有活性的材料替代传统上不活跃的电池电解质。Sevilla、麻省理工学院和加州理工学院的机械工程副教授 Betar Gallant 和其他四人。

 

加兰特说，更换起搏器或其他医疗植入物中的电池需要进行外科手术，因此电池寿命的任何延长都可能对患者的生活质量产生重大影响。原电池用于此类重要应用，因为在给定尺寸和重量下，它们可以提供大约是可充电电池三倍的能量。

 

高说，这种容量差异使得原电池“对于无法充电或充电不切实际的应用至关重要”。新材料在人体温度下工作，因此适用于医疗植入物。除了植入式设备外，随着进一步发展使电池在较低温度下高效运行，应用还可以包括运输跟踪设备中的传感器，例如确保食品或药品运输的温度和湿度要求在整个运输过程中得到适当维持过程。或者，它们可能用于需要长期部署的远程操作飞行器或水下飞行器。

 

起搏器电池的使用寿命通常为 5 至 10 年，如果需要除颤等高压功能，则使用寿命甚至更短。然而，对于此类电池，高说，该技术被认为是成熟的，并且“过去 40 年来基本电池化学方面没有任何重大创新。”

 

该团队创新的关键是一种新型电解质，这种材料位于电池的两个电极（阴极和阳极）之间，允许电荷载流子从一侧穿过到另一侧。研究小组发现，使用一种新的液体氟化化合物，他们可以将阴极和电解质的一些功能结合在一种称为阴极电解液的化合物中。高说，这可以减轻典型原电池的大部分重量。

 

Gallant 解释说，虽然除了这种新化合物之外，理论上还有其他材料可以在高容量电池中发挥类似的阴极电解液作用，但这些材料具有较低的固有电压，与传统起搏器电池中其余材料的电压不匹配，一种称为 CF _x的类型。由于电池的总输出不能超过两种电极材料中较小者的输出，因此额外的容量将因电压不匹配而被浪费。_{但对于新材料，“我们氟化液体的主要优点之一是它们的电压与 CF x}的电压非常匹配，”Gallant 说。

 

在传统的 CF _x电池中，液体电解质至关重要，因为它允许带电粒子从一个电极穿过到另一个电极。但“这些电解质实际上没有化学活性，所以它们基本上是自重，”高说。这意味着大约 50% 的电池关键部件（主要是电解质）是非活性材料。但她表示，在采用氟化阴极电解液材料的新设计中，自重可减少至 20% 左右。

 

加兰特说，与其他类型的拟议化学物质相比，新电池还提供了安全性改进，这些化学物质将使用有毒和腐蚀性的阴极电解液材料，而他们的配方则没有。她说，初步测试表明其保质期稳定超过一年，这是原电池的一个重要特性。

 

 

到目前为止，该团队尚未通过实验实现其分析预测的能量密度全面提高 50%。Gallant 表示，他们已经证明了 20% 的改进，这本身对于某些应用来说就是一个重要的收获。电池本身的设计尚未完全优化，但研究人员可以根据活性材料本身的性能来预测电池的性能。“我们可以看到，当其规模扩大时，预计的电池级性能可以比 CF _x电池高出 50% 左右，”她说。通过实验达到这一水平是该团队的下一个目标。

 

塞维利亚是机械工程系的一名博士生，她将在来年专注于这项工作。“我参与这个项目是为了尝试了解为什么我们无法达到可能的全部能量密度的一些限制，”他说。“我的角色一直是试图填补理解潜在反应方面的空白。”

高说，这种新材料的一大优点是它可以轻松集成到现有的电池制造工艺中，只需用一种材料替代另一种材料即可。高说，与制造商的初步讨论证实了这种潜在的简单替代。她说，用于其他用途的基本原材料已经扩大生产，其价格与目前 CF _{x中使用的材料相当。}电池。她说，使用新材料的电池的成本也可能与现有电池相当。该团队已经申请了阴极电解液的专利，他们预计医疗应用可能会首先实现商业化，也许一年左右就能在实际设备中测试出完整的原型。

 

研究人员表示，未来其他应用也可能会利用新材料，例如可以远程读取的智能水表或燃气表，或者 EZPass 应答器等设备，从而延长其使用寿命。无人机或水下航行器的动力需要更高的功率，因此可能需要更长的时间来开发。其他用途可能包括为偏远地区使用的设备提供电池，例如石油和天然气钻机，包括送入井中监测状况的设备。

 

该团队还包括麻省理工学院的古斯塔沃·霍博尔德 (Gustavo Hobold)、亚伦·梅莱梅德 (Aaron Melemed) 和郭睿 (RuiGuo) 以及加州理工学院的西蒙·琼斯 (Simon Jones)。这项工作得到了麻省理工学院林肯实验室和陆军研究办公室的支持。