Преобразование электрохимических характеристик батарей большого формата в микромасштабные источники питания было давней технологической проблемой, ограничивающей способность батарей питать микроустройства, микророботы и имплантируемые медицинские устройства. Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне создали высоковольтную микробатарею (> 9 В) с высокой плотностью энергии и мощности, не имеющую аналогов среди существующих батарей.
Профессор материаловедения и инженерии Пол Браун (заслуженный профессор Grainger в области инженерии, директор лаборатории исследования материалов), доктор Сунгбонг Ким (постдокторант, MatSE, действующий доцент Корейской военной академии, соавтор) и Аргья Патра (аспирант, MatSE, MRL, соавтор) недавно опубликовали свою статью «Последовательно интегрированные высоковольтные и мощные миниатюрные батареи» в Cell Reports Physical Science.
Группа продемонстрировала герметичные (плотно закрытые для предотвращения воздействия окружающего воздуха), прочные, компактные литиевые батареи с исключительно низкой массовой долей упаковки в одно-, двух- и трехъярусных конфигурациях с беспрецедентными рабочими напряжениями, высокой плотностью мощности и плотности энергии .
Браун объясняет: «Нам нужны мощные крошечные батареи, чтобы раскрыть весь потенциал микромасштабных устройств за счет улучшения архитектуры электродов и разработки инновационных конструкций батарей». Проблема в том, что по мере того, как батареи становятся меньше, упаковка преобладает над объемом и массой батареи, а площадь электрода становится меньше. Это приводит к резкому снижению энергии и мощности батареи.
В своем уникальном дизайне мощных микробатарей команда разработала новую технологию упаковки, в которой токосъемники с положительным и отрицательным выводами использовались как часть самой упаковки (а не как отдельный объект). Это позволило обеспечить компактный объем (≤ 0,165 см 3 ) и низкую массовую долю упаковки (10,2%) батарей. Кроме того, они вертикально уложили электродные ячейки последовательно (таким образом, напряжение каждой ячейки увеличивается), что позволило получить высокое рабочее напряжение батареи.
Еще одним способом улучшения этих микробатарей является использование очень плотных электродов, обеспечивающих плотность энергии. Нормальные электроды почти на 40% по объему заняты полимерами и углеродными добавками (не активными материалами). Группа Брауна вырастила электроды методом прямого электроосаждения при средней температуре, которые являются полностью плотными и не содержат полимерных и углеродных добавок. Эти полностью плотные электроды обеспечивают большую объемную плотность энергии, чем их коммерческие аналоги. Микробатареи в этом исследовании были изготовлены с использованием электродов DirectPlate LiCoO 2 с плотным гальваническим покрытием , изготовленных Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Дейтон, Огайо), компанией, которая возникла в результате исследований Брауна.
Патра отмечает: «На сегодняшний день архитектура электродов и конструкции ячеек в микро-наномасштабе были ограничены конструкциями с высокой плотностью энергии, которые были достигнуты за счет пористости и объемной плотности энергии. Наша работа была успешной по созданию микромасштабного источника энергии, который демонстрирует как высокой плотности мощности, так и объемной плотности энергии».
Важная область применения этих микробатарей включает питание микророботов размером с насекомое для получения ценной информации во время стихийных бедствий, поисково-спасательных операций и в опасных условиях, где прямой доступ человека невозможен.
Соавтор Джеймс Пикул (доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Пенсильванского университета) отмечает, что «высокое напряжение важно для уменьшения полезной электронной нагрузки, которую должен нести микроробот. потеря энергии, связанная с повышением напряжения до сотен или тысяч вольт, необходимых для некоторых приводов.Это означает, что эти батареи позволяют улучшать системный уровень помимо повышения плотности энергии, так что маленькие роботы могут путешествовать дальше или отправлять более важную информацию людям-операторам.»
Ким добавляет: «Наша работа устраняет пробел в знаниях на стыке химии материалов, уникальных требований к производству материалов для конфигураций энергоемких планарных микробатарей и прикладной нано-микроэлектроники, для которой требуется высоковольтный источник питания бортового типа для привода микроприводов и микромоторы».
Браун, пионер в области миниатюризации аккумуляторов, заключает: «Наш текущий дизайн микробатареи хорошо подходит для приложений с высокой энергией, большой мощностью, высоким напряжением и однократным разрядом. твердотельные микробатарейные платформы, батареи, которые по своей природе были бы более безопасными и более энергоемкими, чем аналоги с жидкостными элементами».
Теги: батарея
