Lille i størrelsen, stor på strøm:Nye mikrobatterier de mest kraftfulde til dato

(Phys.org) – Selvom de kun er små, de er voldsomme. De kraftigste batterier på planeten er kun få millimeter store, Alligevel pakker de så meget, at en chauffør kunne bruge en mobiltelefon drevet af disse batterier til at starte et dødt bilbatteri – og derefter genoplade telefonen på et øjeblik.

Udviklet af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign, de nye mikrobatterier udlader selv de bedste superkondensatorer og kan drive nye applikationer inden for radiokommunikation og kompakt elektronik.

Anført af William P. King, Bliss professor i mekanisk videnskab og teknik, forskerne offentliggjorde deres resultater i 16. april-udgaven af Naturkommunikation .

"Dette er en helt ny måde at tænke batterier på, " sagde King. "Et batteri kan levere langt mere strøm, end nogen nogensinde har troet. I de seneste årtier har elektronik er blevet lille. De tænkende dele af computere er blevet små. Og batteriet har haltet langt bagefter. Dette er en mikroteknologi, der kan ændre alt dette. Nu er strømkilden lige så højtydende som resten af ​​den."

Med aktuelt tilgængelige strømkilder, brugerne har skullet vælge mellem strøm og energi. Til applikationer, der kræver meget strøm, som at udsende et radiosignal over en lang afstand, kondensatorer kan frigive energi meget hurtigt, men kan kun lagre en lille mængde. Til applikationer, der kræver meget energi, som at spille en radio i lang tid, brændselsceller og batterier kan indeholde meget energi, men frigive den eller genoplade langsomt.

"Der er et offer, " sagde James Pikul, en kandidatstuderende og første forfatter af papiret. "Hvis du vil have høj energi, kan du ikke få høj effekt; hvis du vil have høj effekt, er det meget svært at få høj energi. Men for meget interessante applikationer, især moderne applikationer, du har virkelig brug for begge dele. Det er, hvad vores batterier begynder at gøre. Vi skubber virkelig ind i et område i energilagringsdesignrummet, som ikke i øjeblikket er tilgængeligt med teknologier i dag."

De nye mikrobatterier tilbyder både strøm og energi, og ved at justere strukturen lidt, forskerne kan tune dem over en bred vifte på magt-versus-energi-skalaen.

Batterierne skylder deres høje ydeevne til deres interne tredimensionelle mikrostruktur. Batterier har to nøglekomponenter:anoden (minussiden) og katoden (plussiden). Bygger på et nyt hurtigt-opladende katodedesign af materialevidenskab og ingeniørprofessor Paul Brauns gruppe, King og Pikul udviklede en matchende anode og udviklede derefter en ny måde at integrere de to komponenter på mikroskala for at lave et komplet batteri med overlegen ydeevne.

Med så megen kraft, batterierne kunne aktivere sensorer eller radiosignaler, der sender 30 gange længere, eller enheder 30 gange mindre. Batterierne er genopladelige og kan oplade 1, 000 gange hurtigere end konkurrerende teknologier – forestil dig at safte en kreditkorttynd telefon op på mindre end et sekund. Ud over forbrugerelektronik, hospitalsudstyr, lasere, sensorer og andre applikationer kunne se fremskridt inden for teknologi med sådanne strømkilder tilgængelige.

"Enhver form for elektronisk enhed er begrænset af størrelsen af ​​batteriet – indtil nu, " sagde King. "Overvej personligt medicinsk udstyr og implantater, hvor batteriet er en enorm mursten, og den er forbundet til småbitte elektronik og små ledninger. Nu er batteriet også lille."

Nu, forskerne arbejder på at integrere deres batterier med andre elektronikkomponenter, samt fremstillingsevne til lave omkostninger.

"Nu kan vi tænke ud af boksen, " sagde Pikul. "Det er en ny muliggørende teknologi. Det er ikke en progressiv forbedring i forhold til tidligere teknologier; det bryder de normale paradigmer for energikilder. Det giver os mulighed for at gøre anderledes, nye ting."

National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research støttede dette arbejde. King er også tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology; Frederick Seitz Materials Research Laboratory; mikro- og nanoteknologilaboratoriet; og afdelingen for elektro- og computerteknik ved U. of I.