科学家创造了一种微电池，与目前用于监测太平洋西北地区和世界各地河流鲑鱼运动的微电池相比，它的能量是其两倍。
电池，一个略长于米粒的圆柱体，肯定不是世界上最小的电池，因为工程师制造的电池比人类头发的宽度要小得多。但是那些较小的电池没有足够的能量为声学鱼标签供电。新电池足够小，可以注入生物体，比同等大小的电池容纳更多的能量。
由能源部太平洋西北实验室的科学家们创建的电池详细信息最近在线发表在“ 科学报告”上，该报告是“ 自然 ”杂志期刊的成员。去年在材料化学杂志上发表了有关电池材料的研究报告。
对于跟踪鲑鱼运动的科学家而言，较轻的电池转换为较小的发射器，可以插入较小的较小的鱼中。这将使科学家能够在生命周期的早期追踪他们的福利，通常是在他们开始时至关重要的小溪流中。新电池还可以为更长距离的信号供电，使研究人员能够进一步跟踪岸边或水坝或水深处的鱼类。
“这种电池的发明基本上彻底改变了生物遥测世界，并以前所未有的方式开辟了鲑鱼早期生命阶段的研究，”陆军部队波特兰区渔业生物学家M. Brad Eppard说。工程师。
“多年来，制造小型变送器的主要限制因素是电池尺寸。现在已经克服了这个障碍，”管理波特兰地区渔业研究计划的埃帕德补充道。
军团和其他机构使用标签中的信息来绘制濒危鱼类的福利，并帮助确定最佳的水坝运作方式。三年前，军团转向PNNL工程师Z. Daniel Deng创建一个较小的发射器，一个小到足以注入，而不是通过手术植入鱼。注射对鱼类的侵入性和压力要小得多，而且它是一种更快，成本更低的过程。
“这是一个重大的挑战，在过去的三年中真正消耗了我们，”邓说。“商业上没有任何可以注入的东西，可以注入。电池太大，或者它们的使用时间不够长。这就是为什么我们必须设计自己的电池。”
邓转向材料科学专家杰晓创造了新的电池设计。
为了将更多的能量装入一个小区域，肖的团队改进了通常用于制造更大的家用圆柱形电池的“果冻卷”技术。肖的团队在一个称为层压的过程中将电池材料层叠在一起，然后将它们卷起来，类似于如何创建果冻卷。这些层包括由碳氟化物制成的阴极和由锂制成的阳极夹在中间的分离材料。
该技术使她的团队能够增加电极的面积，而不会增加电极的厚度或整体尺寸。增加的面积解决了制造这么小的电池时的一个主要问题 – 保持阻抗(很像电阻)变得太高。当如此多的电子被包装到一个小的地方时，就会发生高阻抗，它们不会沿着电池所需的路径轻易或快速地流动，而是彼此相互接合。电池越小，问题就越大。
使用果冻技术使肖的团队能够创造更大的电子相互作用区域，从而减少阻抗，使材料的容量大约是声学鱼标签中传统微电池的两倍。
“这有点像一堆Play-Doh，一次一层，然后将它们一起卷起来，就像果冻卷一样，”肖说。“这使您可以将更多的活性材料装入狭小的空间而不会增加阻力。”
新电池的重量只有目前声学鱼标签中使用的电池重量的一半 – 仅为70毫克，相比之下约为135毫克 – 长度为6毫米，宽度为3毫米。电池的能量密度为每千克约240瓦特小时，而商用氧化银纽扣微电池的能量密度约为100瓦特。
电池保持足够的能量，发出足够强大的声学信号，即使在嘈杂的环境中，如近大水坝，也可用于鱼类跟踪研究。电池可以为每三秒发送一次744微秒的信号供电，持续大约三周，或大约每五秒发送一个月。这是研究人员所知道的最小电池，具有足够的能量来维持这种信号水平。
电池在鲑鱼经常居住的冷水中也能更好地工作，与现有电池相比，在低温下发出更清晰的信号。这是因为它们的活性成分是锂和氟化碳，这种化学物质有望用于其他应用，但在微电池中并不常见。
去年夏天在肖的实验室里，科学家Samuel Cartmell和Terence Lozano用手工制作了1000多个米大小的电池。这是一个艰苦的过程，切割和形成复杂材料的小片段，将它们穿过类似面食制作机的压扁装置，将它们粘合在一起，然后用手将它们卷成小胶囊。他们熟练的双手可以与外科医生相媲美，不是使用组织，而是使用敏感的电子材料。
去年夏天，一个由邓率领的PNNL团队在蛇河的田间试验中手术将700个标签植入鲑鱼。初步结果表明标签表现非常好。这项研究的结果以及有关配备新微电池的小型增强鱼标签的更多细节将在即将出版的出版物中公布。经营PNNL的Battelle已申请该技术专利。