3-D-batterier pakker strøm til små fodspor

Batterier kan virke som om de kommer i enhver form og størrelse, som du kan forestille dig. Men efterhånden som elektroniske enheder bliver tyndere og tyndere uden at reducere deres strøm- og energibehov, de udfordrer ingeniører til at designe batterier, der kan passe ind i mindre og mindre rum uden at gå på kompromis med ydeevnen. Forskere i USA har brugt utraditionelle teknikker til at skabe én mulig løsning - et kraftfuldt 3D lithium-ion-batteri med et fodaftryk i størrelsesordenen hundrede korn salt. Deres arbejde vises 3. maj i tidsskriftet Joule .

"For små sensorer, du skal omdesigne batteriet til at være som en skyskraber i New York i stedet for et ranchhus i Californien, " siger seniorforfatter Bruce Dunn, en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of California, Los Angeles (UCLA). "Det er, hvad et 3D-batteri gør, og vi kan bruge halvlederbehandling og en konform elektrolyt til at lave en, der er kompatibel med kravene fra små internetforbundne enheder."

Selv de mest innovative todimensionelle batterier er begrænsede i de former, de kan tage - det grundlæggende batteri tager et stykke anode og et stykke katode og pakker en ionledende elektrolyt mellem de to for at fuldende kredsløbet. På den anden side, der er i princippet utallige måder at lave en 3D-anode og en 3D-katode på, der klikker sammen som puslespilsbrikker (stadig nødvendigvis adskilt af en lille mængde elektrolyt). Opsætningen valgt af Dunns gruppe kaldes et "koncentrisk rør" design, hvor et array af jævnt fordelte anodestolper er dækket ensartet af et tyndt lag af en fotomønstret polymerelektrolyt, og området mellem stolperne er fyldt med katodematerialet.

På trods af denne tilsyneladende enkelhed, mange forskere har kun været i stand til at bygge halvdelen af ​​et 3D-batteri, skabe anoder og katoder, der er stabile alene, men mislykkes, når du forsøger at samle disse elektroder til et funktionelt batteri. I mellemtiden Næsten alle de 3D-batterier, der er blevet samlet, har ikke været væsentligt bedre end almindelige todimensionelle versioner. Dunn og postdoktorale forskere, Janet Hur og Leland Smith, overvandt disse forhindringer ved at tage metoder, der normalt bruges til at fremstille halvledere, og modificere dem til at skære silicium ind i et gitter af præcist fordelte cylindre, som de ønskede til anoden. "Det er noget, batteriverdenen bare ikke gør, " siger Dunn.

For at fuldføre batteriet, de påførte tynde lag elektrolyt på siliciumstrukturen og hældte i et standard lithium-ion katodemateriale, bruge anoden som en form for at sikre, at de to halvdele passer lige præcis sammen. Det resulterende batteri opnåede en energitæthed på 5,2 milliwatt-timer pr. kvadratcentimeter, blandt de højeste rapporterede for et 3D-batteri, mens den optager et minimalt fodaftryk på 0,09 kvadratcentimeter og modstår 100 cyklusser med opladning og afladning.

Dunn advarer om, at dette særlige 3D-batteri endnu ikke har nået sit fulde potentiale, da han håber, at han og hans team kan øge dens energitæthed med yderligere tuning af batterikomponenter og montering. "En anden udfordring med batterier er altid emballagen, " tilføjer han. "Du er nødt til at forsegle dem, hold dem små, og sørg for, at de fungerer lige så godt i den virkelige verden som i handskerummet."