Вчені розробили високовольтну мікробатарею з високою щільністю енергії та потужності

Постійною технологічною проблемою є труднощі зі зменшенням електрохімічних характеристик великоформатних батарей до менших, мікромасштабних джерел живлення, що перешкоджає їх здатності живити мікропристрої, мікророботи та імплантовані медичні пристрої. Проте дослідники з Університету Іллінойсу Урбана-Шампейн подолали цю проблему, розробивши високовольтну мікробатарею (> 9 В) із винятковою щільністю енергії та потужності, яка не має аналогів у жодній що існує конструкції батареї.

Команда продемонструвала герметично закриті (щільно закриті, щоб запобігти впливу навколишнього повітря), довговічні, компактні літієві батареї з надзвичайно низькою масовою часткою пакування в одно-, подвійно- та потрійних конфігураціях з безпрецедентною робочою напругою, високою щільністю потужності та густини енергії.

Браун пояснює: «Нам потрібні потужні крихітні батареї, щоб розкрити весь потенціал мікророзмірних пристроїв шляхом вдосконалення архітектури електродів і розробки інноваційних дизайнів батарей». Проблема полягає в тому, що коли батареї стають меншими, пакування домінує над об’ємом і масою батареї, тоді як площа електродів стає меншою. Це призводить до різкого зниження енергії та потужності батареї.

У своєму унікальному дизайні потужних мікробатарей команда розробила нову технологію пакування, яка використовує позитивні та негативні клеми струмоприймачів як частину самого пакування (а не окрему цілісність). Це дозволило забезпечити компактний об’єм (≤ 0,165 см3) і низьку масову частку пакування (10,2%) батарей. Крім того, вони вертикально поклали електродні елементи послідовно (тому напруга кожного елемента додається), що забезпечило високу робочу напругу батареї.

Ще один спосіб удосконалення цих мікробатарей — це використання дуже щільних електродів, які забезпечують щільність енергії. Звичайні електроди майже на 40% за обсягом займають полімери та вуглецеві добавки (не активні матеріали). Група Braun виростила електроди за допомогою технології прямого електроосадження при проміжній температурі, які є повністю щільними та не містять полімерних і вуглецевих добавок. Ці повністю щільні електроди пропонують більшу об’ємну щільність енергії, ніж їхні комерційні аналоги. Мікробатареї в цьому дослідженні були виготовлені з використанням щільних електродів DirectPlateTM LiCoO2, виготовлених компанією Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Дейтон, штат Огайо), яка виникла на основі досліджень Braun.

Патра згадує: «На сьогодні архітектури електродів і конструкцій комірок у мікронаномасштабі були обмежені конструкціями з високою потужністю, що відбувалося шляхом пористості та об’ємної щільності енергії. Наша робота була успішною для створення мікромасштабного джерела енергії, яке має як високу щільність потужності, так і об’ємну щільність енергії».

Важливе застосування цих мікробатарей включає живлення мікророботів розміром з комаху для отримання цінної інформації під час стихійних лих, пошуково-рятувальних місій, а також у небезпечних середовищах, де прямий доступ людини неможливий. Співавтор Джеймс Пікул (доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки Університету Пенсільванії) зазначає, що «висока напруга важлива для зменшення електронного корисного навантаження, яке повинен нести мікроробот. 9 в може безпосередньо живити двигуни та зменшити втрати енергії, пов’язані з підвищенням напруги до сотень або тисяч вольтів, необхідних для деяких приводів.

Кім додає: «Наша робота заповнює прогалину в знаннях на перетині хімії матеріалів, унікальних вимог до виробництва матеріалів для планарних конфігурацій мікробатарей з високою енергомісткістю та прикладної наномікроелектроніки, яка потребує високовольтного бортового джерела живлення для керування мікроактуаторами. і мікромотори».

Компанія Braun, піонер у галузі мініатюризації акумуляторів, робить висновок: «Наш поточний дизайн мікробатареї добре підходить для застосувань з високою енергією, високою потужністю, високою напругою та одноразрядним застосуванням. Наступним кроком є ​​перенесення дизайну на всі твердотілий мікробатарейні платформи, батареї, які за своєю суттю будуть безпечнішими та енергоємнішими, ніж аналоги з рідкими елементами».