NASA研究助力可充電助聽器電池的開發(fā)

人們常常認(rèn)為，發(fā)明創(chuàng)造能夠一蹴而就。然而，事實并非如此。就像托馬斯·愛迪生發(fā)明白熾燈其實是建立在前人50多年的實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。同樣，銀鋅電池也經(jīng)歷了漫長而曲折的發(fā)展過程，才最終進(jìn)入消費品市場，被應(yīng)用于助聽器。這一過程自銀鋅電池問世起長達(dá)兩個世紀(jì)之久。

與其它電池相比，銀鋅電池具有更高的質(zhì)量比能量，因此，研究人員投入了大量人力、物力致力于開發(fā)實用的銀鋅電池。但是，銀鋅電池的發(fā)展緩慢，突破較少，其中一項突破性進(jìn)展是由美國國家航空航天局（NASA）的格倫研究中心（即原劉易斯研究中心）取得的。

銀鋅電池的主要問題是其正負(fù)電導(dǎo)體具有可溶解性，劣化速度較快。20世紀(jì)20年代末，法國教授亨利·安德烈制造出了世界首個實用的銀鋅電池。該電池采用一種薄膜將兩個電極分離開來，防止活性物質(zhì)在兩個電極之間遷移，從而避免了電極的劣化。該項研究成果為40多年后劉易斯研究中心取得的銀鋅電池成果奠定了基礎(chǔ)。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍隊，特別是美國海軍和美國空軍，推動了高效銀鋅原電池的發(fā)展。這種電池是一種不可充電的電池，目前仍在用于為潛艇、魚雷、導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)，以及其它設(shè)備提供動力。

在早期的發(fā)射系統(tǒng)中，NASA也使用這種銀鋅原電池。但是，NASA希望能夠開發(fā)出長壽命、輕質(zhì)的銀鋅二次電池，即可充電的銀鋅電池用于航天系統(tǒng)。電極的劣化是開發(fā)新型銀鋅電池必須解決的重要問題。鋅電極釋放的氧化鋅會溶解，導(dǎo)致電極降解，改變電池的形狀，減小電池的表面積。氧化鋅溶解后也可在電極上重新沉積析出，形成可穿透電池隔膜的結(jié)構(gòu)，從而破壞電池。如果對電池進(jìn)行加熱滅菌處理，銀鋅電池的電極劣化問題就會更加復(fù)雜。而對電池進(jìn)行加熱滅菌處理是所有火星探測器都必須經(jīng)歷的處理過程，目的是保證這些設(shè)備不會攜帶地球上的微生物，對火星造成污染。

20世紀(jì)60年代，為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，NASA在噴氣推進(jìn)實驗室、戈達(dá)德空間飛行中心和劉易斯研究中心進(jìn)行了多次實驗。研究人員試驗了多種電池隔膜材料、電極材料及電解質(zhì)材料，設(shè)計了不同的電池結(jié)構(gòu)和電池構(gòu)建方法。但這些實驗僅使銀鋅電池的性能獲得了小幅提升。1968年NASA發(fā)布的《空間動力系統(tǒng)電池》報告中就指出，這些復(fù)雜的問題長期存在，需要持續(xù)不斷的研究。該報告中提及了一種采用新型無機陶瓷電池隔膜的實驗電池。該電池由道格拉斯飛機公司的宇航動力實驗室研發(fā)。道格拉斯飛機公司是劉易斯研究中心在銀鋅電池方面的合作伙伴，該公司研發(fā)的新型銀鋅電池展現(xiàn)出了良好的性能潛力，但缺乏充分的數(shù)據(jù)支撐。

宇航動力實驗室當(dāng)時正在為劉易斯研究中心開發(fā)一種用于燃料電池的無機離子交換膜。研究人員認(rèn)為，類似的隔膜或許在可充電電池中也可發(fā)揮作用。因此，1965年，宇航動力實驗室和劉易斯研究中心開始研究一種新型的隔膜，以緩解可充電銀鋅電池面臨的諸多問題。

1972年，劉易斯研究中心已經(jīng)完成了基于特制的無機隔膜和特制的鋅電極研發(fā)的銀鋅電池的測試和驗證。這種銀鋅電池在加熱殺菌后，能夠作為可充電電池使用。但這些銀鋅電池的可靠壽命僅為400～500個充放電循環(huán)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)時航天領(lǐng)域常用的鎳鎘電池的10000次循環(huán)壽命，但這種銀鋅電池的尺寸僅為鎳鎘電池的1/3，且避免了典型銀鋅電池中出現(xiàn)的鋅電極形狀變化和性能劣化問題。1972年，劉易斯研究中心發(fā)表了題為“一種用于同步軌道任務(wù)和行星探測任務(wù)的多功能氧化銀-鋅電池”的文章，稱這種電極未經(jīng)過形變抑制處理的銀鋅電池的耐用性達(dá)到了“驚人”和“不同尋常的”程度。

宇航動力實驗室通過持續(xù)研發(fā)，開發(fā)出了一種更有效的無機-有機隔膜，進(jìn)一步延長了銀鋅電池的壽命，消除了其它無機隔膜具有的低傳導(dǎo)率問題。1973年，劉易斯研究中心啟動了一項電池隔膜研發(fā)項目，獲得了宇航動力實驗室研發(fā)的無機-有機隔膜的使用許可，并對這種隔膜的工作原理開展了大量的研究和實驗。在理論研究的基礎(chǔ)上，研究人員研發(fā)出了3種更高性能的隔膜產(chǎn)品，以及一種高效制造這些隔膜產(chǎn)品的方法。這些隔膜產(chǎn)品及其制造方法于1979年發(fā)布。

宇航動力實驗室研發(fā)的基于無機-有機隔膜的銀鋅電池在50%放電率條件下的循環(huán)壽命約為150個周期，而劉易斯研究中心開發(fā)的產(chǎn)品的循環(huán)壽命可達(dá)200個周期；宇航動力實驗室開發(fā)的隔膜很脆，難于處理，而劉易斯研究中心研發(fā)的隔膜更柔軟，可獲得更均勻的電流密度，并可能延長電池的使用壽命；通過采用新型材料和工藝，劉易斯研究中心開發(fā)的電池隔膜的成本約為35美分/平方英尺，而宇航動力實驗室研發(fā)的電池隔膜的成本約為1.25美元/平方英尺。

盡管開展了大量的研究，銀鋅二次電池在NASA仍未得到廣泛應(yīng)用。一方面是由于其充放電循環(huán)壽命仍然較少，另一方面是因為在20世紀(jì)70年代中期，鎳鎘電池有了重大改進(jìn)，成為NASA眾多應(yīng)用的首選電池。此外，在20世紀(jì)90年代，鋰離子電池出現(xiàn)，其能量質(zhì)量比幾乎與銀鋅電池相同，但其充放電循環(huán)性能遠(yuǎn)高于銀鋅電池，因此得到了更為廣泛的應(yīng)用。

在商業(yè)領(lǐng)域，鋅銀電池受其成本高及壽命短的影響，也未獲得廣泛應(yīng)用。直到最近，這種情況才有所改觀。

鋅矩陣能源公司（現(xiàn)稱“ZPower公司”）1996年成立于美國加利福尼亞州卡馬里奧市，主要致力于可充電銀鋅電池的商業(yè)化應(yīng)用。由于NASA的大部分研發(fā)成果是公開的，因此，該公司在NASA和其他研究機構(gòu)的銀鋅電池研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究。此外，該公司的總裁兼首席執(zhí)行官（CEO）羅斯·迪貝爾也擁有一些銀鋅電池的專業(yè)知識。他曾經(jīng)就職于美國空軍萊特航空實驗室的電池分部，該部門經(jīng)常與NASA開展可充電電池系統(tǒng)方面的合作，其中就包括銀鋅電池技術(shù)。

ZPower公司專注于改進(jìn)電池的4個活性組成部分，即2個電極、電解質(zhì)和隔膜。經(jīng)過多次改進(jìn)，在其最終產(chǎn)品中，ZPower公司在電池的銀電極上涂覆了一種專利涂層以提高電導(dǎo)率，在鋅電極上添加了一種膏狀物質(zhì)以減少鋅離子的擴散，采用了特殊的電解質(zhì)來延長兩個電極的使用壽命。研究人員還為電池隔膜的堆疊設(shè)計技術(shù)申請了專利。

先進(jìn)膜系統(tǒng)公司是一家研發(fā)電池隔膜進(jìn)行測試的公司。該公司在21世紀(jì)初與格倫研究中心和約翰遜航天中心簽訂了小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃（SBIR）合同，共同開展銀鋅電池研究。該公司的研究引起了ZPower公司的關(guān)注。ZPower公司購買了其電池隔膜專利技術(shù)的所有權(quán)利，對其多年來在銀鋅電池方面積累的約100項專利技術(shù)形成了補充?；谶@些技術(shù)，ZPower公司開發(fā)的銀鋅電池在電容量無明顯衰減的情況下循環(huán)壽命可達(dá)500～1000次。

經(jīng)過十多年的研發(fā)，ZPower公司于2007年宣布，將在2008年推出一系列筆記本電腦電池。然而，受2008年經(jīng)濟(jì)危機，以及銀價大幅上漲的影響，成本成為銀鋅電池發(fā)展的嚴(yán)重障礙。在這種情況下，ZPower公司只能重新進(jìn)行規(guī)劃。由于電池越小，所需的銀越少，銀價造成的影響就越小。所以，ZPower公司決定將銀鋅電池應(yīng)用于助聽器中。在2013年底，ZPower公司發(fā)布了其助聽器電池產(chǎn)品系列。

傳統(tǒng)助聽器通常使用一次性鋅空氣電池。鋅空氣電池具有較高的能量質(zhì)量比，但不能充電。鎳氫電池等可充電電池在助聽器的小尺寸下，無法攜帶足夠助聽器全天運行所需的電量。因此，助聽器用戶幾乎每周都需要更換電池，非常不便。在高電量存儲方面，鋰離子電池是唯一可與銀鋅電池相媲美的。但鋰離子電池存在熱失控現(xiàn)象，可能會發(fā)生燃燒或爆炸事故。此外，鋰離子電池需要更為嚴(yán)密的包裝和其它組件，不適用于微型電池。銀鋅電池卻可以避免這一問題。

為了解決電池更換的困難，ZPower公司開發(fā)的電池能夠在助聽器內(nèi)部充電。ZPower公司在傳統(tǒng)助聽器電池蓋的部位設(shè)計了特殊的接口，可與充電器連接，用戶僅需將助聽器從耳朵中取出，連接充電器即可充電，而且，電池能夠在一夜之內(nèi)充滿，充電一次可供用戶使用1～2天。ZPower公司建議每年更換一次電池，每塊電池的售價為25美元～30美元，與一次性電池相比，成本更低。

ZPower公司還研發(fā)了電池的回收工藝。由ZPower公司將這些舊電池收集起來，送往專業(yè)的回收機構(gòu)進(jìn)行再利用。

這種可充電銀鋅電池系統(tǒng)贏得了2016年消費電子展創(chuàng)新獎和2016年愛迪生獎。ZPower公司的產(chǎn)品發(fā)布后，其雇員數(shù)量已由35人增加到100人。

羅斯·迪貝爾說：“隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注小型化、高性能的電池。助聽器只是銀鋅電池應(yīng)用的起步?！蹦壳埃琙Power公司正在與一家太陽鏡制造商合作研發(fā)一款“不會丟的太陽鏡”。該太陽鏡能夠通過手機應(yīng)用程序鎖定位置，其電池將由ZPower公司負(fù)責(zé)提供。 (唐 甜)