可自分解器件|美研制出可快速自分解的锂离子电池，可为“瞬态”电子器件/设备供电

美国爱荷华州立大学研究出可自分解锂离子电池，能够提供2.5V电压，并在置入水中30分钟内消失。该电池可为桌面型计算器供电15分钟。研究人员Reza Montazami表示，这是首个展现出具有实用价值的电量、稳定性和寿命的瞬态电池。研究成果已经发布在《聚合物科学杂志》的B版《聚合物物理学》上。

图为爱荷华州立大学研制出能够在水中溶解和消失的电池

瞬态电子

研究人员指出，与传统维持一个非常长工作时间的电子器件不同，瞬态电子器件一个重要和独特的特性是，只在一个非常短和已经确定好的时间段内工作，并在瞬态触发后以非常快速和理想的速度自分解和消失。瞬态电子能够保持军事秘密不落入敌手，或能使病人不再经受医疗设备从体内移除之苦，或可实现环境传感器自行消失在雨中。瞬态器件能够实施多种功能，直到被暴露在光、热和液体中等条件下以触发其自分解开关。

美国国防先期研究计划局（DARPA）一直关注并投资支持可自分解电子元器件的基础性研究，并于2013年底启动了“可设置消失的资源”（VAPR）项目，正式提出“瞬态电子”和全面推进其发展。

历史成就

Reza Montazami是爱荷华州立大学机械工程副教授和美国能源部埃姆斯实验室教授，已在瞬态技术领域开展多年的研究。2014年4月，Reza领导的研究团队研究出以可自分解纳米胶体为基本成分的可降解并可精确控制降解速率的聚合物混合材料，具备高可靠性、可重复生产、可在触发条件下完全快速消失等特点，可作为可自分解电子产品的实现基本平台。

新研究的聚合物混合材料由在聚乙烯醇（PVA）矩阵中注入不同比例的胶体或蔗糖组成，聚合物混合材料的瞬态特性可由改变胶体或蔗糖的不同比例进行改变：增加胶体可以降低溶解速度，而增加蔗糖则加速瞬态速率。聚合物混合材料薄膜在去离子水中分解过程如下图所示。

图为可降解聚合物混合材料薄膜在去离子水中的分解过程

技术突破

此次研制出的瞬态电池由8层组成，包括一个阳极、一个阴极和电解质膜，所有都包裹在两层聚乙烯化合物醇基聚合物中。电池体积非常小，仅有1毫米厚、5毫米长和6毫米宽；电池的组成器件、结构和电化学反应都和商业研发的电池技术非常接近；当置于水中，聚合物外壳膨胀，电极被分解并溶于水中。该电池并非完全溶解，包含不能分解但可分散的纳米颗粒，研究人员称其为“物理-化学混合瞬态”。

对于需要长时间供电的应用，带有更大容量的电池能够提供更多的电量，但是需要更长分解时间。研究人员建议，对于需要更高电量的应用，可将几个小电池并联。

技术挑战

即使电池本身已是经实践检验的成熟技术，瞬态电池的研究仍提出了三项挑战。

1.电压必须与商用电池相同。

2.电池由多层和复杂结构构成。

3.制造过程困难大，需要反复尝试。

意义

Reza表示，任何没有瞬态供电单元的电子器件/设备并不能真正实现瞬态。瞬态电池的研究要远比此前在瞬态电子领域开展的其他器件/设备类研究工作复杂得多；此次是材料科学领域的进展，开展同样研究的小组并不多。

此次研究由爱荷华州立大学的“跨学科研究总统倡议”和机械工程学院提供资金支持。