En ny dimension for batterier

Ingeniører ved University of Maryland har skabt et tyndt batteri, lavet af et par millioner omhyggeligt konstruerede "mikrobatterier" i en kvadrattomme. Hvert mikrobatteri er formet som et meget højt, rundt værelse, giver meget overfladeareal - som vægplads - hvorpå nanotynde batterilag er samlet. De tynde lag sammen med stor overflade producerer meget høj effekt sammen med høj energi. Det kaldes et "3-D-batteri", fordi hvert mikrobatteri har en udpræget 3-D-form.

Disse 3-D-batterier skubber konventionelle, plane tynd-film solid state-batterier ind i en tredje dimension. Plane batterier er en enkelt stak af flade lag, der tjener rollen som anode, elektrolyt, katode- og strømaftagere.

Men for at lave 3D-batterier, forskerne borede smalle huller er dannet i silicium, ikke bredere end en streng edderkoppesilke, men mange gange dybere. Batterimaterialerne var belagt på de indvendige vægge af de dybe huller. Den øgede vægoverflade af 3-D mikrobatterier giver øget energi, mens lagenes tynde øger den kraft, der kan leveres dramatisk. Processen er lidt mere kompliceret og dyr end dens flade modstykke, men fører til mere energi og højere kraft i samme fodaftryk.

I godt et årti, batteriforskere har kendt kraft- og energifordele som et 3-D batteridesign, men fremstilling og test har været mislykket indtil den nylige succes af Maryland NEES-teamet. Det er fordi de troede at bruge en teknik kaldet atomlagsaflejring, hvor hvert lag kun er nogle få atomer tykt. Hvert materiale, for hver del af batteriet, opvarmes, indtil atomerne danner en fin tåge, der sætter sig over formen, fæstner sig tæt og i et fint tyndt lag. At bygge batterierne på denne måde sikrede, at hvert lag passede til siderne af hullet, uden klatter eller ubelagte mellemrum.

Dette papir viser et "definitivt proof of concept, at energitæthed og effekttæthed stiger i overensstemmelse med øget overfladeareal, " sagde Keith Gregorczyk, en assisterende forsker ved University of Maryland, og et medlem af holdet, der opnåede 3-D mikrobatterier.

"En stor fordel ved dette batteri er, at det er solid-state, hvilket betyder, at det ikke indeholder brændbare væsker, der kan antændes, som konventionelle lithium-baserede batterier kan, " sagde Gary Rubloff, undersøgelsens hovedforsker. "Og fordi det er fremstillet ved hjælp af de samme fremstillingsprocesser som dem for halvlederchips, det kan indbygges direkte i en række forskellige enheder, fra sundhedsmonitorer og mobiltelefoner til mange andre applikationer."

Rubloff er direktør for Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), et DOE-sponsoreret tilskud på 25,2 mio. USD til Energy Frontier Research Center. Rubloff er også den stiftende direktør for Maryland NanoCenter og en Distinguished University Professor med udnævnelser i afdelingen for materialevidenskab og teknik, Institut for Systemforskning, og Institut for Forskning i Elektronik og Anvendt Fysik.

En beskrivelse og analyse af 3-D solid state-batteriet og dets potentiale dukkede op i journalen ACS Nano den 24. april, 2018.