圖：電子顯微鏡圖像顯示噴涂的鋰離子電池，是萊斯大學開發(fā)的，呈現5層結構。圖片來源：萊斯大學
萊斯大學的研究人員開發(fā)出一種鋰離子電池，幾乎可以涂在任何表面。
這種可充電電池是萊斯大學材料科學家普里克爾.阿杰延（Pulickel Ajayan）的實驗室創(chuàng)造的，包含幾個噴涂層，各層都代表傳統電池的組件。這項研究發(fā)表在今天《自然》的網上開放獲取期刊《科學報告》（Scientific Reports）上。
“這意味著，傳統包裝的電池已讓位于更靈活的方法，可實現各種新的設計，以及可能的集成，用于存儲設備，”阿杰延說，他是萊斯大學本杰明?M.和瑪麗?格林伍德安德森研究機械工程和材料科學教授（Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor in Mechanical Engineering and Materials Science），也是化學教授。“最近一段時間，很多人都熱衷創(chuàng)造改進外形因素的電源，這是在這一方向前進了一大步。”
首席作者尼拉姆?辛格（Neelam Singh）是萊斯大學研究生，她的研究小組花數小時艱苦努力，制做、混合和測試涂料，用于各層組件，共五層，兩個電流收集器，一個陰極，一個陽極，還有一個聚合物分隔層在中間。
圖：傳統鋰離子電池是把活性層包在活性碳罐或其他便攜式容器中。但是，萊斯大學的研究人員找到一種方法，可以把這些涂層涂到任何表面，這就開辟了可能性，可以把這些表面變成存儲設備。圖片來源：萊斯大學
這些材料可以噴刷到陶瓷衛(wèi)浴瓷磚上，也可以噴到柔性聚合物，玻璃，不銹鋼，甚至啤酒杯上，可以看到它們與每種基板結合得有多好。
在第一個實驗中，9個浴室瓷磚為基礎的電池進行并聯連接。一個電池上覆蓋著太陽能電池，可以利用實驗室白光發(fā)電。用太陽能電池板和房里的電流完全充電后，只用這種電池就可以驅動一組發(fā)光二極管，這組二極管拼寫出“萊斯”（RICE）字樣，可以亮六個小時；這種電池可以產生穩(wěn)定的2.4伏電壓。
圖：啤酒杯用作功能基板，用于可噴涂的電池，是萊斯大學開發(fā)的。圖片來源：萊斯大學
研究人員報告說，這種手噴電池性能相當穩(wěn)定，與目標的誤差在正負10％以內。辛格說，它們經過60次充放電循環(huán)，只會有非常小的容量下降，。
每一層都是一種優(yōu)化的混合物。首先，正向電流收集器是一種混合物，混合了純化的單壁碳納米管與炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone）中。第二是陰極，它包含鈷鋰氧化物，碳和超細石墨（UFG：ultrafine graphite）粉末，放在一種粘合劑溶液中。第三是聚合物隔膜涂層，屬于聚偏二氟乙烯（Kynar Flex）樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA：polymethyl methacrylate）和二氧化硅，分散在混合溶劑中。第四，陽極混合了鋰鈦氧化物和超細晶粒（UFG），放在粘合劑中，最后一層是負電流收集器，是一種市售的導電銅漆，用乙醇稀釋。
“最難的地方是實現機械穩(wěn)定性，而分離器發(fā)揮了關鍵作用，”辛格說。“我們發(fā)現，納米管和陰極層結合得很牢固，但是如果分隔膜機械性能不穩(wěn)定，它們就會從基板剝離。添加聚甲基丙烯酸甲酯，就可適當地粘接到分隔膜。”一旦涂上，瓷磚和其他物品就會被注入電解液，然后就會封閉熱量，進行充電。
辛格說，這種電池很容易采用小型太陽能電池充電。她預計，可以結合可噴涂電池與最近報道的太陽能電池，以創(chuàng)造一種能量收集組合產品，這將是無與倫比的。她說，因為手噴電池這么好，因此，升級采用現代方法，會促進它們實現跨越式發(fā)展。“噴涂已經是一種工業(yè)工藝，所以很容易使這項技術融入產業(yè)，”辛格說。
萊斯大學研究人員的這項技術已經申請了專利，他們將繼續(xù)完善。辛格說，他們正在積極尋找一些電解質，以便更容易露天創(chuàng)造電池，他們還設想，他們的電池用作整體粘著瓷磚，可以有許多種配置方式。
“我們確實認為這會改變傳統規(guī)范，”她說。
