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图片：瞬态电池示意图。图片来源：Chem.Mater, DOI:10.1021/acs.chemmater.5b04931
近日，来自爱荷华州立大学（Iowa State University）的科学家宣称发明了全球首款实用型瞬态电池，可为普通家用计算器提供时长15分钟、电压2.5V的稳定供电。神奇的是，该瞬态电池在遇水后，一言不合就自毁，30分钟内就“人间蒸发”！在输出电压上几乎两倍于其他的瞬态电池，自毁降解速度更是其他报道的1000倍！
其研究结果发表在 《高分子科学》杂志（Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics）上。
众所周知，传统电子设备总是希望服役寿命越长越好，即省事儿又省钱。然而在某些特殊应用场所，却要求电子设备在稳定服役特定时长后快速可控的自毁降解。比如，对于移植性生物医疗设备，为了使病人免受创伤，希望移植性电子设备服役结束后自毁降解以排出体外；对于智能环境监测，希望检测设备完成任务后自行降解，实现绿色环保；对于国防安全，希望军事电子设备“用后自焚”，以防军事机密落入敌手。
近年来发展的瞬态电子技术（Transient Electronics Tech）正好提供了这样的契机。瞬态电子器件是指当电子功能器件在完成指定功能后，其物理形态和功能可以在外界刺激的触发下立即发生部分消失或者完全消失的一种新兴电子器件。国内外已有很多科学家研究了多种功能的瞬态电子设备，大部分是在外界光照、热辐射或者溶剂浸泡的刺激下引发自毁消失。
然而不如意的是，这些瞬态电子设备极大程度上依赖于“非瞬态”的外加功率源实现功能，这极大的阻碍和降低了瞬态设备的自毁速度。来自爱荷华州立大学的雷扎·蒙塔扎米（Reza Montazami）巧妙地设计了一款自毁性瞬态电池，不仅能稳定的输出电压实现功能，还能遇水快速自毁消溶，为瞬态电子设备提供了“配得上”的瞬态能量源。
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图片：瞬态电池输出2.53V电压。图片来源：Ashley Christopherson
数字万用表测量瞬态电池的有效输出电压达到了2.53V，几乎两倍于其他团队的瞬态电池输出电压，充分证明了该瞬态电池出色的功能稳定性。
下一步我们来看看“傲娇”电池神奇的自毁特性。
据研究者称，该自毁性瞬态电池利用了“物理/化学混合瞬态”的方法，严格来讲并不是100%自毁。具体而言，利用电池中非溶性电极的物理性断裂和活性微米/纳米颗粒的重分散，结合其他可溶性物质的化学溶解，最终足以达到整个电池结构的有效自毁消溶。
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图片：瞬态电池结构示意图（a）和实物图（b）。（c）瞬态电池的自毁过程。图片来源：DOI: 10.1002/polb.24113
为达到更好的瞬态电池实用性，研究团队借力于商用锂离子电池的化学结构基础，设计了类似的活性材料电极，并将该活性电极夹入两层可降解聚合材料中。
该瞬态电池的结构设计包括八层：由聚乙烯醇-蔗糖（PVA-sucrose）复合水溶性材料作为上下基底层，电极活性材料构成阳极和阴极层，银胶和炭黑作为导电引线，以及电解质分离层。组装而成的瞬态电池尺寸大致相当一块芯片，长*宽*厚大概为5毫米*6毫米*1毫米。
瞬态电池自毁过程：可溶性PVA基底首先吸水膨胀，膨胀力引起电极物理性破裂，水溶性PVA基底完全溶解，电极活性材料释放分散成小颗粒，最终整个电池自毁性“蒸发”，整个过程将近30分钟。研究观察若延长自毁过程，剩余的少量电池残留物也并没有显著性消失。所以，该瞬态电池虽然并不是100%自毁，但在30分钟内已经达到有效自毁，对于实际瞬态电子设备应用已经足够。
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图：研究人员（左为雷扎·蒙塔扎米，右为陈元芬（音译，YuanfenChen））
虽然蒙塔扎米团队的瞬态电池已经通过了多次试验验证，但他认为瞬态电池在输出电压、结构设计和材料上还需优化提高，以达到更好的实用性。
随着瞬态电子技术的发展，《碟中谍》中阿汤哥演绎的“阅后即焚”的智能眼镜已经不仅仅是科幻了！
参考：IEEE Spectrum、Journal of Polymer Science
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