据外媒报道，佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院（FAMU-FSU College of Engineering）的研究人员开发了一种可充电锌离子电池，该电池采用低成本材料和简化的水基组装工艺，能够制造出更安全、更可靠的电池。这种方法有望重塑公用事业级储能系统和家用能源系统的设计和制造方式。

这项研究由电气与计算机工程系（Department of Electrical and Computer Engineering）的Petru Andrei教授和博士生Peng Wang领导，相关研究成果发表于期刊《ACS Omega》。

图片来源：FAMU-FSU College of Engineering

满足对更先进电池技术的需求

从消费电子产品到电动汽车再到医疗设备，各行各业对可靠、安全且环保的电池的需求持续增长。锂离子电池仍然是行业标准，但其安全隐患——尤其是过热和易燃性——以及其环境影响，促使研究人员探索替代方案。

水系锌离子电池（AZIB）提供了一种经济高效且环保的选择。然而，其广泛应用受到一些技术难题的制约：枝晶生长导致的短路、复杂的制造工艺以及有限的长期稳定性。

枝晶是电池充电过程中在电池内部形成的微小金属结构。当枝晶不受控制地生长时，它们会刺穿内部屏障，导致短路甚至电池彻底失效。

解决枝晶问题

为了应对这些挑战，FAMU-FSU的研究团队开发了一种新的电池组装方法。他们将一种特殊的水凝胶电解质与二氧化锰的电沉积相结合，这意味着关键的电池组件在组装过程中直接在电池内部生长，而不是单独制造后再插入。

Andrei表示：“我们希望改进AZIB的制造方式。所有工序都在水中进行，并使用一种不易燃的水凝胶来稳定和抑制枝晶的生长。枝晶是微小的金属结构，会导致电池失效，而改进后的方法大大简化了组装过程，也显著提高了安全性。”

这种水凝胶由聚乙烯醇和源自凯夫拉纤维（Kevlar）的芳纶纳米纤维（防弹衣所用材料）组成。它们共同形成一个柔韧耐用的网络，能够保持电池电解质，并从物理上阻止锌枝晶的形成。

该电池在数百次循环中都能快速充放电，容量损失极小，且无需传统制造工艺所需的有害溶剂或耗能的干燥步骤。

简化的制造工艺

传统的电池制造依赖于浆料混合：将粉末状电极材料与溶剂混合形成浓稠的糊状物，涂覆在金属箔上，然后干燥。这种方法耗时费力，并且需要在每个阶段使用精密设备并进行严格的质量控制。

FAMU-FSU的方法完全省去了这一步骤。

Andrei表示：“这项技术未来有望应用于生产。由于我们的工艺完全基于水，无需浆料混合和干燥步骤，因此可以自然地融入生产线。”

省去这一步骤可减少设备需求并简化质量控制，对于任何希望扩大下一代储能产品生产规模的制造商而言，这都是一项显著的优势。

电网级储能

经过900多次快速充放电循环后，电池仍能保持容量，并在严苛条件下可靠运行。

这些结果具有现实意义。电网级储能——用于缓冲太阳能和风能发电的基础设施——需要稳定、长寿命且易于大规模生产的电池。家用备用电源系统也面临着类似的要求。

Andrei说道：“这项技术的未来在于实现安全、低成本的储能。我认为它将应用于那些安全性、成本和长循环寿命比高能量密度更重要的领域，例如电网储能、家用能源系统和大型备用电源。在这些应用场景中，即使电池并非功率最强，也需要其具有较长的使用寿命和极高的可靠性。我们的技术旨在实现稳定性和安全性，使其非常适合这些关键应用。”

这项技术进步也可能惠及柔性电子产品和可穿戴医疗设备，在这些领域，电池的易燃性是一个特别值得关注的问题。