Попытки изготовить микробатарейки с характеристиками больших батарей ранее не увенчались успехом, и потому для появления микроустройств, микророботов и имплантируемых медицинских гаджетов не хватало достаточно эффективных источников питания. Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн создали высоковольтную микробатарею (> 9 В) с высокой плотностью энергии и большой мощностью, не имеющую аналогов среди существующих батарей. Профессор материаловедения и инженерии Пол Браун (Grainger Distinguished Chair in Engineering, директор лаборатории исследования материалов), доктор Сунгбонг Ким (Sungbong Kim, Postdoc, MatSE, доцент Корейской военной академии, соавтор) и Аргхья Патра (Graduate Student, MatSE, MRL, соавтор) недавно опубликовали свою работу «Serially integrated high-voltage and high-power miniature batteries» в издании Cell Reports Physical Science. Команда продемонстрировала герметичные (плотно закрытые для предотвращения воздействия окружающего воздуха), долговечные, компактные литиевые батареи с исключительно низкой массовой долей упаковки в одно-, двух- и трехслойных конфигурациях с беспрецедентным рабочим напряжением, высокой плотностью мощности и энергии. Браун объясняет:
Проблема заключается в том, что по мере уменьшения размеров батарей в объеме и массе батареи все больше преобладает оболочка, в то время как площадь электродов становится все меньше. Это приводит к резкому снижению уровня энергии и мощности батареи. И теперь команда разработала новую технологию создания корпусов, в которой положительные и отрицательные токоприемники используются как часть самого корпуса, а не как отдельный элемент. Это позволило добиться компактного объема (≤ 0,165 с м³) и низкой массовой доли оболочки (10,2%) батарей. Кроме того, они электродные элементы уложены вертикально и последовательно (так напряжение каждого элемента суммируется), что позволило получить высокое рабочее напряжение батареи в целом. Еще один путь улучшения этих микробатарей — использование очень плотных электродов, что обеспечивает плотность энергии. Обычные электроды почти на 40% по объему заняты полимерами и углеродными добавками (не активными материалами). Группа Брауна вырастила электроды методом прямого электроосаждения при промежуточной температуре, которые имеют высокую плотность и не содержат полимеров и углеродных добавок. Эти полноплотные электроды обеспечивают более высокую объемную плотность энергии, чем их коммерческие аналоги. Микробатареи в этом исследовании изготовлены с использованием электродов из LiCoO2. Патра отмечает:
Важной областью применения этих микробатарей является питание микророботов размером с насекомое для получения ценной информации во время стихийных бедствий, поисково-спасательных операций и в опасных средах, куда прямой доступ человека невозможен. Соавтор Джеймс Пикул (доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Пенсильванского университета) отмечает, что «высокое напряжение важно для снижения электронной нагрузки, которую должен нести микроробот. 9 В могут напрямую питать двигатели и снижать потери энергии, связанные с повышением напряжения до сотен или тысяч вольт, необходимых некоторым приводным устройствам. Это означает, что такие батареи позволяют улучшить системный уровень, помимо повышения плотности энергии, чтобы маленькие роботы могли передвигаться на большие расстояния или передавать более важную информацию людям-операторам». Ким добавляет:
Браун, пионер в области миниатюризации батарей, заключает:
12.01.2023 |
Энергия
PNAS Nexus: Ученые воссоздали в лаборатории ключевой элемент фотосинтеза | |
Человек научился делать многое, но у ... |
J. Mater. Chem. A: Литий-ионные батареи станут безопаснее и эффективнее | |
Новое объяснение эффекта этиленкарбоната ... |
EPSR: ИИ повысит надежность электросетей с учетом роста энергопотребления | |
Из-за распространения возобновляемых источнико... |
APL: Исследователи изучают фотоэлектрический феномен в перспективном материале | |
Необычный фотовольтаический эффект, BPV, в&nbs... |
Frontiers in Energy: Катализатор Fe-N-C превзойдет платину в топливных элементах | |
Топливные элементы и металловоздушные бат... |
Matter: Гибридные перовскиты прокладывают путь к новым лазерам и светодиодам | |
Исследователи разработали методику создания сл... |
В Пермском Политехе создали установку для исследования новых видов топлива | |
Учёные исследуют новый вид горючего ... |
Chemistry of Materials: Открыт перспективный твердый электролит из наночастиц | |
Аккумуляторы играют важную роль в совреме... |
Водные системы могут помочь ускорить внедрение возобновляемых источников энергии | |
Системы водоснабжения помогают сделать возобно... |
Nature Nanotechnology: Решена ключевая проблема натрий-ионных батарей | |
Литий-ионные батареи широко используются в&nbs... |
JAC: Ученые исследовали эффективность пьезокатализа Bi2WO6-x | |
Пьезокатализ — перспективная эколог... |
NatSustain: Новый материал катода может произвести революцию в хранении энергии | |
Недорогой катод, который может улучшить литий-... |
eScience: С помощью реактивной химии ученые создали анод без дендритов | |
Металлические калиевые батареи, МБК &mdas... |
Система искусственного фотосинтеза производит этилен с высочайшей эффективностью | |
Чтобы использовать CO₂ для создания эколо... |
NatComm: Инженеры создают долговечный и дешевый электролит для аккумуляторов | |
Возобновляемые источники энергии, такие как&nb... |
В ЛЭТИ создали цифрового двойника для оптимизации солнечных электростанций | |
Рост населения и развитие технологий прив... |
EES Catalysis: Новые ячейки превращают углекислый газ в экологичное топливо | |
Новый метод переработки бикарбонатного раствор... |
ACS Energy Letters: Новую батарею можно резать, можно бить — все равно работает | |
В большинстве аккумуляторов для портативн... |
Nature Climate Change: Богатые тоже пачкают атмосферу | |
Углеродный след богатых людей в обществе ... |
Учёные НИУ МЭИ создали энергоустановку на основе бионических технологий | |
Исследователи создали энергоустановку для ... |
Кремний с высокой площадью поверхности улучшает реакцию CO2 на свету | |
Учёные работают над превращением углекисл... |
В ЛЭТИ улучшили свойства материала для более долговечных солнечных батарей | |
Исследователи создали наноматериалы, которые с... |
Nature Electronics: Создан напалечный трекер здоровья, черпающий энергию из пота | |
Устройство, работающее от пота, позволяет... |
Nature Sustainability: Электролиты на основе нафталина пригодятся для батарей | |
ORAM — это органические редокс... |
Science: В США разрабатывают метод переработки лопастей ветряных турбин | |
Исследователи из Национальной лаборатории... |
Терагерцовая спектроскопия позволяет следить за старением перовскитовых пленок | |
Гибридные перовскиты могут использоваться в&nb... |
Scientific Reports: Создан новый храповик с геометрически симметричной шестерней | |
Храповой механизм — это систем... |
Инженеры MIT разрабатывают крошечные батареи для питания роботов | |
Маленькие словно песчинки цинково-воздушные ба... |
JPE: Листоподобные концентраторы повысят эффективность солнечной энергии | |
Люминесцентный солнечный концентратор, ил... |
Учёные ТПУ разработали катализатор для водорода, который в 7 раз лучше аналогов | |
Учёные молодёжной лаборатории ТПУ совмест... |