Nanopower:Undgå elektrolytfejl i litumbatterier i nanoskala

(PhysOrg.com) -- Det viser sig at være dig kan være for tynd -- især hvis du er et batteri i nanoskala. Forskere fra National Institute of Standards and Technology, University of Maryland, College Park, og Sandia National Laboratories byggede en serie af nanotrådsbatterier for at demonstrere, at tykkelsen af ​​elektrolytlaget dramatisk kan påvirke batteriets ydeevne, effektivt at sætte en nedre grænse for størrelsen af ​​de små strømkilder. Resultaterne er vigtige, fordi batteristørrelse og ydeevne er nøglen til udviklingen af ​​autonome MEMS—mikroelektromekaniske maskiner—som har potentielt revolutionerende applikationer inden for en lang række områder.

MEMS enheder, som kan være så lille som titusvis af mikrometer (dvs. omkring en tiendedel af et menneskehårs bredde), er blevet foreslået til mange anvendelser inden for medicin og industriel overvågning, men de har generelt brug for en lille, lang levetid, hurtigopladningsbatteri til en strømkilde. Nuværende batteriteknologi gør det umuligt at bygge disse maskiner meget mindre end en millimeter - hvoraf det meste er selve batteriet - hvilket gør enhederne frygtelig ineffektive.

NIST-forsker Alec Talin og hans kolleger skabte en veritabel skov af bittesmå - omkring 7 mikrometer høje og 800 nanometer brede - solid-state lithium-ion-batterier for at se, hvor små de kunne laves med eksisterende materialer og for at teste deres ydeevne.

Startende med silicium nanotråde, forskerne deponerede lag af metal (til en kontakt), katode materiale, elektrolyt, og anodematerialer med forskellige tykkelser til at danne miniaturebatterier. De brugte et transmissionselektronmikroskop (TEM) til at observere strømstrømmen gennem batterierne og se materialerne inde i dem ændre sig, når de oplades og aflades.

Holdet fandt ud af, at når tykkelsen af ​​elektrolytfilmen falder under en tærskel på omkring 200 nanometer, elektronerne kan springe over elektrolytgrænsen i stedet for at strømme gennem ledningen til enheden og videre til katoden. Elektroner, der tager den korte vej gennem elektrolytten - en kortslutning - får elektrolytten til at bryde ned, og batteriet aflades hurtigt.

"Det, der ikke er klart, er præcis, hvorfor elektrolytten nedbrydes, ” siger Talin. »Men det, der står klart, er, at vi skal udvikle en ny elektrolyt, hvis vi skal konstruere mindre batterier. Det overvejende materiale, LiPON, vil bare ikke fungere i de tykkelser, der er nødvendige for at lave praktiske genopladelige batterier med høj energitæthed til autonome MEMS."