新材料可以使植入式电池寿命更长

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，这种电池用于从电动汽车到便携式电子产品的所有领域，并且在可负担性和容量方面都有了显着提高。但在此期间，不可充电电池几乎没有改善，尽管它们在许多重要用途中发挥着关键作用，例如起搏器等植入式医疗设备。

现在，麻省理工学院的研究人员想出了一种方法来提高这些不可充电或“原电池”的能量密度。他们说，在给定的功率或能量容量下，它可以使使用寿命增加多达50%，或者相应地减小尺寸和重量，同时还能提高安全性，而成本几乎没有增加。

麻省理工学院卡瓦诺博士后研究员高海宁、研究生亚历杭德罗今天在《美国国家科学院院刊》杂志上报道了这项新发现，其中包括用一种对能量输送具有活性的材料代替传统的非活性电池电解质。Sevilla，机械工程副教授BetarGallant，以及麻省理工学院和加州理工学院的其他四人。

更换心脏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，Gallant说。原电池用于此类基本应用，因为在给定尺寸和重量的情况下，原电池可以提供大约是可充电电池三倍的能量。

高说，这种容量差异使原电池“对于无法充电或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。除了可植入设备外，随着电池在较低温度下有效运行的进一步发展，应用还可以包括用于跟踪设备的运输传感器，例如确保在整个运输过程中适当保持食品或药品运输的温度和湿度要求过程。或者，它们可能用于需要长期准备好部署的远程操作的空中或水下飞行器。

起搏器电池的使用寿命通常为5到10年，如果它们需要除颤等高压功能，则使用寿命更短。然而，对于这种电池，高说，这项技术被认为是成熟的，“过去40年在基础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，允许电荷载体从一侧穿过到另一侧。使用一种新的液态氟化化合物，研究小组发现他们可以将阴极和电解质的一些功能结合在一种化合物中，称为阴极电解液。高说，这可以节省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，还有其他材料理论上可以在高容量电池中发挥类似的阴极电解液作用，但这些材料的固有电压较低，与传统起搏器电池中其余材料的电压不匹配，一种称为CFx的类型。

因为电池的总输出不能超过两种电极材料中较小的那个，额外的容量会因为电压不匹配而浪费掉。但是对于新材料，“我们的氟化液体的主要优点之一是它们的电压与CFx的电压非常吻合，”Gallant说。

在传统的CFx电池中，液体电解质是必不可少的，因为它允许带电粒子从一个电极穿过到另一个电极。但是“这些电解质实际上是化学惰性的，所以它们基本上是自重的，”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。但在采用氟化阴极材料的新设计中，自重可以减少到20%左右，她说。

加兰特说，与使用有毒和腐蚀性阴极电解液材料的其他类型化学物质相比，新电池还提供了安全改进，而他们的配方没有。她说，初步测试表明，其保质期超过一年，这是原电池的一个重要特征。

到目前为止，该团队尚未通过实验实现他们分析预测的能量密度提高50%。他们已经证明了20%的改进，这本身对于某些应用程序来说是一个重要的收获，Gallant说。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性能。“我们可以看到，当它扩大规模时，预计的电池级性能可以比CFx电池高出约50%，”她说。通过实验达到这个水平是团队的下一个目标。

Sevilla是机械工程系的博士生，明年将专注于这项工作。“我被带入这个项目是为了试图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。“我的角色一直在努力填补对潜在反应的理解方面的空白。”

高说，这种新材料的一大优势是它可以很容易地集成到现有的电池制造工艺中，作为一种材料的简单替代品。高说，与制造商的初步讨论证实了这种潜在的容易替代。她说，用于其他目的的基本起始材料已经扩大生产规模，其价格与目前用于CFx电池的材料相当。

她说，使用这种新材料的电池成本也可能与现有电池相当。该团队已经为阴极液申请了专利，他们预计医疗应用很可能是第一个商业化的应用，可能会在大约一年内准备好在实际设备中进行测试的全尺寸原型。

研究人员表示，在未来，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EZPass转发器等设备，从而延长其使用寿命。无人驾驶飞机或海底车辆的动力将需要更高的动力，因此可能需要更长的时间来开发。其他用途可能包括用于偏远地点设备的电池，例如石油和天然气钻机，包括送入井中以监测条件的设备。

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