National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, College Park och Sandia National Laboratories har byggt en serie nanotrådsbatterier för att visa att tjockleken av elektrolytskiktet dramatiskt kan påverka prestanda för batteriet och effektivt sätta en undre gräns för storleken på små energikällor.

Illustration: Talin/NIST

Resultaten är viktiga eftersom batteriets storlek och prestanda är avgörande för utvecklingen av autonoma MEMS (mikroelektromekaniska system)-maskiner som potentiellt kan revolutionära tillämpningar inom en rad olika områden.

MEMS-lösningar har föreslagits för många tillämpningar, bland annat inom medicin och industriell övervakning, men de behöver i allmänhet ett litet, långlivat, snabbuppladdningsbart batteri som kraftkälla. Nuvarande batteriteknik gör det omöjligt att bygga dessa komponenter som är mycket mindre än en millimeter där utrymmet upptas av batteriet, vilket gör dessa enheter fruktansvärt ineffektiva, menar NIST.

Alec Talin, forskare vid NIST, och hans kollegor har tagit fram ett antal små 7 mikrometer höga och 800 nanometer breda solid-state litiumjonbatterier för att se hur små dessa kan göras med befintliga material och för att testa deras prestanda.

Med en utgångspunkt från nanotrådar i kisel deponerade forskarna skikt av metall och katodmaterial, elektrolyt och anodmaterial med olika tjocklekar för att skapa dessa små batterier. De använde ett transmissionselektronmikroskop (TEM) för att observera strömflödet i batterierna och titta på materialet inuti dem när de laddas och laddas ur.

Det visade sig att när tjockleken på elektrolytfilmen hamnade vid ett tröskelvärde under cirka 200 nanometer kan elektronerna hoppa över elektrolyten istället för att strömma genom tråden till katoden. Elektroner som istället tar den korta vägen – alltså en kortslutning –får elektrolyten att brytas ner och batteriet att snabbt laddas ur.

– Det som inte är klart är exakt varför elektrolytfilmen bryts ner. Men det står klart att vi måste utveckla en ny elektrolyt om vi ska bygga mindre batterier. Det dominerande materialet, LiPON, fungerar helt enkelt inte på tjocklekar nödvändiga för att konstruera praktiska uppladdningsbara batterier med hög energidensitet för autonom MEMS.

Filed under: Utländsk Teknik