Тонкопленочные литий-ионные батареи, используемые в микроустройствах, таких как портативная и медицинская электроника, могут обеспечивать достаточное количество энергии относительно их массы, но не обеспечивают достаточной мощности для многих устройств из-за их ограниченного размера. Исследователи представили процесс изготовления микробатареек с толстыми трехмерными электродами с использованием литографии и электроосаждения, а также герметизацию каждой единицы в корпусе, заполненном гелевым электролитом. По словам исследователей, новый прототип демонстрирует самую высокую пиковую удельную мощность среди всех зарегистрированных микробатареек.
Новое исследование, проведенное докторантом Университета Иллинойса в Урбане и Шампейне Пенгченгом Сун и профессором материаловедения и инженерии Полом Брауном, опубликовано в журнале Advanced Materials .
Исследователи заявили, что большинство микробатареи имеют очень тонкие плоские аноды и катоды, которые отлично подходят для экономии места, но не обладают достаточной мощностью, необходимой для беспроводной передачи данных в современных технологиях.
«Ответ может показаться использованием более толстых электродов, которые могли бы удерживать больше энергии в ограниченном пространстве, но одно это только увеличит путь, по которому должны проходить ионы и электроны, уменьшив потребление энергии» , — сказал Сан. «Использование трехмерных пористых электродов, заполненных жидким электролитом, может сократить этот путь, но упаковать такие микробатареи чрезвычайно сложно».
Команда сообщила, что есть одно исследование, в котором использовалась импринтинг-литография для создания трехмерной микробатареи, которая обеспечивала высокую пиковую мощность с использованием жидкого электролита, но производительность этого примера была измерена на незапечатанной батарее в лабораторных условиях.
В новом исследовании команда разработала уникальный процесс заполнения капилляров, который может заполнить гелевым электролитом трехмерные пористые электроды, что сделало возможным герметичную упаковку микробатареи.
«Использование более густого гелевого электролита вместо жидкости дает нам гораздо больший контроль», — сказал Браун. «Гелевая природа электролита дает нам больше времени для герметизации батареи, чтобы электролит не вылился. И, по умолчанию, гель также делает литий-ионную батарею более безопасной, поскольку из нее меньше вероятность утечки, что может быть проблема в жидком электролите с наполнением литий-ионных батарей «.
По словам исследователей, новые упакованные аккумуляторные элементы имеют высокую плотность энергии и мощности 1,24 Дж на квадратный сантиметр и 75,5 милливатт на квадратный сантиметр соответственно, что примерно в десять раз лучше, чем то, что доступно в настоящее время. Батареи могут быть включены в цикл 200 раз в нормальных условиях с сохранением начальной разрядной емкости 75%. В исследовании сообщается, что новые батареи с использованием жидкого электролита обеспечивают еще более высокую удельную мощность — 218 милливатт на квадратный сантиметр.
«Наша микробатарея может обеспечить микромасштабную автономную работу в течение 132 дней», — сказал Сан. «Это основано на разумном предположении, что этот тип устройства потребляет 5 микроватт в режиме ожидания и 5 милливатт во время передачи данных, когда время ожидания составляет 100 секунд, а время передачи — 10 миллисекунд».
Команда заявила, что методы изготовления и упаковки, использованные в этом исследовании, могут ускорить разработку высокопроизводительных твердотельных микромасштабных запоминающих устройств со сложной трехмерной конфигурацией электродов .
