Сходили по-маленькому: ученые разработали батарейки для микроустройств

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:

Нам нужны мощные миниатюрные батареи, чтобы раскрыть весь потенциал микромасштабных устройств, и добиться этого мы намерены, улучшая архитектуру электродов и разрабатывая инновационные конструкции батарей.

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:

Сегодня архитектура электродов и конструкция ячеек в микро-нано масштабе ограничены плотностью энергии, которая достигается за счет пористости и объемной энергоплотности. Наша работа позволила создать микромасштабный источник энергии, который обладает как высокой плотностью мощности, так и объемной энергоплотностью.

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:

Наша работа устраняет пробел в знаниях на стыке химии материалов, уникальных требований к производству материалов для плотных энергетических конфигураций плоских микробатарей и прикладной наномикроэлектроники, которой требуется высоковольтный источник питания встроенного типа для привода микроприводов и микромоторов.

Браун, пионер в области миниатюризации батарей, заключает:

Наша текущая конструкция микробатареи хорошо подходит для высокоэнергетических, высокомощных, высоковольтных, одноразрядных устройств. Следующим шагом будет перевод конструкции на все платформы твердотельных микробатарей и аккумуляторов.

12.01.2023