Bedre batterier fra bunden og op

(PhysOrg.com) - Rice University-forskere har bevæget sig et skridt tættere på at skabe robuste, tredimensionelle mikrobatterier, der ville oplade hurtigere og have andre fordele i forhold til konventionelle lithium-ion-batterier. De kunne drive nye generationer af fjernsensorer, skærme, smartkort, fleksibel elektronik og biomedicinsk udstyr.

Batterierne anvender lodrette arrays af nikkel-tin nanotråde perfekt indkapslet i PMMA, en meget brugt polymer bedst kendt som plexiglas. Rice-laboratoriet i Pulickel Ajayan fandt en måde at pålideligt belægge enkelte nanotråde med et glat lag af en PMMA-baseret gelelektrolyt, der isolerer ledningerne fra modelektroden, mens ioner tillader at passere igennem.

Arbejdet blev rapporteret i denne uge i online-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver .

"I et batteri, du har to elektroder adskilt af en tyk barriere, " sagde Ajayan, professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi. "Udfordringen er at bringe alt i nærheden, så denne elektrokemi bliver meget mere effektiv."

Ajayan og hans team føler, at de har gjort det ved at dyrke skove af coatede nanotråde - millioner af dem på en fingerneglestørrelse chip - til skalerbare mikroenheder med større overfladeareal end konventionelle tyndfilmsbatterier. "Du kan ikke bare skalere tykkelsen af ​​et tyndfilmsbatteri, fordi lithiumionkinetikken ville blive træg, " sagde Ajayan.

"Vi ønskede at finde ud af, hvordan de foreslåede 3D-design af batterier kan bygges fra nanoskalaen og op, " sagde Sanketh Gowda, en kandidatstuderende i Ajayans laboratorium. "Ved at øge højden af ​​nanotrådene, vi kan øge mængden af ​​lagret energi, mens vi holder lithium-ion-diffusionsafstanden konstant."

Forskerne, ledet af Gowda og postdoc-forsker Arava Leela Mohana Reddy, arbejdet i mere end et år på at forfine processen.

"For at være fair, 3-D konceptet har eksisteret i et stykke tid, Reddy sagde. "Gennembruddet her er evnen til at lægge et konformt lag PMMA på en nanotråd over lange afstande. Selv et lille brud i belægningen ville ødelægge det." Han sagde, at den samme tilgang bliver testet på nanotrådssystemer med højere kapacitet.

Processen bygger på laboratoriets tidligere forskning for at bygge koaksiale nanotrådskabler, der blev rapporteret i Nano bogstaver sidste år. I det nye værk, forskerne dyrkede 10 mikron lange nanotråde via elektroaflejring i porerne på en anodiseret aluminiumoxidskabelon. De udvidede derefter porerne med en simpel kemisk ætsningsteknik og drop-coated PMMA på arrayet for at give nanotrådene et jævnt hus fra top til bund. En kemisk vask fjernede skabelonen.

De har bygget en-centimeter firkantede mikrobatterier, der rummer mere energi, og som oplader hurtigere end plane batterier med samme elektrodelængde. "Ved at gå til 3-D, vi er i stand til at levere mere energi i samme fodaftryk, " sagde Gowda.

De føler, at PMMA-belægningen vil øge antallet af gange, et batteri kan oplades ved at stabilisere forholdene mellem nanotrådene og flydende elektrolyt, som har en tendens til at gå i stykker over tid.

Holdet studerer også, hvordan cykling påvirker nanotråde, som siliciumelektroder, udvide og trække sig sammen, efterhånden som lithium-ioner kommer og går. Elektronmikroskopbilleder af nanotråde taget efter mange opladnings-/afladningscyklusser viste ingen brud i PMMA-huset - ikke engang huller. Dette fik forskerne til at tro, at belægningen modstår volumenudvidelsen i elektroden, hvilket kan forlænge batteriernes levetid.