微型锌空气电池面世,或助力开发体内微米级送药机器人

据科技日报报道， 随着机器人设备逐渐缩小，对微米尺度电池的需求日益迫切。美国麻省理工学院工程师设计出一款新的微型电池，可为体内胶体机器人、传感器等微米级设备供电。这些设备未来或能用于人体内药物输送、天然气管道泄漏定位等领域。相关论文发表于新一期《科学·机器人》杂志。 新电池长100微米，厚2微米，是一款锌空气电池。与其他类型的电池相比，锌空气电池能量密度更高、寿命更长。该电池从空气中捕获氧气，可产生高达1伏的开路电压，能量密度达到760瓦时/升，足以为一个微型电路、传感器或执行器供电。这款电池由铂电极和锌电极组成，锌电极嵌入名为SU-8的聚合物条内。当电极与空气中的氧分子相互作用时，锌被氧化并释放出流向铂电极的电子，从而产生电流。 锌空气电池 锌空气电池（ZABs）是一种高效的能源存储于转换装置，该电池主要由空气正极、锌负极、碱性电解液以及隔膜等关键部件组成，它们各自发挥独特的作用，共同构成了一个完整的能源转换系统。空气正极通常包括电流捕集层、催化剂层和防水透气层，它们能够直接决定ZABs的充放电效率和功率密度，负责着ZABs在充电时的OER过程和放电时的ORR过程。而正极材料一般来源于空气中的O2，当电池放电时，O2会先溶解于碱性电解液中，随后扩散到催化剂层并与催化剂的表面形成气、固和液三相界面。随着反应的进行，O2会被还原为OH-，并进一步扩散到锌负极并与之发生反应，而充电过程则与之相反。 锌空气电池电解质 作为离子导体的电解质是锌-空气电池的核心部件之一，因为它在放电-充电过程中起着重要作用，并极大地影响电池的可充电性、工作电压、寿命、功率密度和安全性。 锌-空气电池的电解质大致可分为液态和固态电解质。传统的液态电解质一般使用碱性水电解液，其中KOH具有高的离子电导性、低粘度、低成本以及低的工作温度被广泛使用。液态的电解质根据pH值和离子类型可分为碱性水电解质、非碱性水电解质（如近中性电解质）、双电解质和离子液体。固态电解质大致可分为阴离子交换膜、电解质储存膜和凝胶聚合物电解质。 可充电锌-空气电池的电解质的分类 固态锌空气电池 今年5月，韩国浦项科技大学材料科学与工程系研究团队成功开发出一种高容量、高效率的全固态钠空气电池，无须特殊设备就能可逆地利用钠（Na）和空气。相关论文发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。在本研究中，团队使用了一种名为NASICON的固体电解质。NASICON由钠、硅（Si）和锆（Zr）等元素组成，能在固体中进行离子移动，同时表现出很高的电化学性能和化学稳定性，有效解决了碳酸盐堵塞问题。研究人员表示，这种基于固体电解质的电池平台可在环境条件下保持稳定，提供宽电压范围，有望引领全固态金属－空气电池步入“下一代”。 锌空气电池的发展历史及现状 人们对ZABs的研究与发展始于20世纪70年代，最初主要将其用于军事和特殊应用领域。自21世纪开始，随着科技的进步和社会对能源需求的增加，人们开始探索更加广泛的应用场景，尤其是在便携式电子产品和电动汽车等领域。 到目前为止，ZABs的设计与研究已经取得了显著的技术突破。尽管如此，将ZABs应用于实践时仍需克服许多挑战。主要涉及电池的可循环使用寿命、充电与放电的效率，及其在大规模生产和应用时所面临的成本效益问题。 未来的研究将重点关注以下三个方向：提升电池的整体性能、减少生产成本并扩大其应用领域。利用材料科学和纳米技术的最新进展，研究和开发更为高效的电催化剂及更稳定的电极材料，增加电池的能量密度并提高其循环稳定性，是实现ZABs商业化应用的必由之路。还要通过开发低成本材料并改进生产工艺，来降低ZABs的制造成本，进而推动其在更广泛领域中的应用，包括大规模能源存储和电动汽车等。此外，通过系统优化和管理技术的创新，来提高电池系统的整体效率和可靠性，拓展其在可穿戴设备、便携式电源以及智能电网等领域的应用。 参考来源： 1、科技日报：为微米级设备供电的锌空气电池面世 2、钛媒体：新型高能效全固态钠空气电池问世 3、李文明.固态锌-空气电池的凝胶聚合物电解质的研究 4、范文萍.过渡金属硫化物在锌-空气电池中的应用探究 （中国粉体网编辑整理/青黎） 注：图片非商业用途，存在侵权告知删除