Es hat sich herausgestellt, dass Sie zu dünn sein können - insbesondere, wenn Sie eine nanoskalige Batterie sind.
Forscher des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST), der University of Maryland, des College Park und der Sandia National Laboratories haben eine Reihe von Nanodrahtbatterien gebaut, um zu demonstrieren, dass die Dicke der Elektrolytschicht die Leistung der Batterie erheblich beeinflussen kann Festlegung einer Untergrenze für die Größe der winzigen Stromquellen. * Die Ergebnisse sind wichtig, da die Größe und Leistung der Batterien für die Entwicklung autonomer MEMS - mikroelektromechanischer Maschinen - von entscheidender Bedeutung sind, die möglicherweise revolutionäre Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen haben.
Mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops konnten die NIST-Forscher einzelne nanoskalige Batterien mit Elektrolyten unterschiedlicher Ladung und Entladung beobachten. Das NIST-Team stellte fest, dass es wahrscheinlich eine Untergrenze dafür gibt, wie dünn eine Elektrolytschicht sein kann, bevor die Batterie versagt. Bildnachweis: Talin / NIST
MEMS-Geräte, die bis zu zehn Mikrometer klein sein können (dh ungefähr ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares), wurden für viele Anwendungen in der Medizin und in der industriellen Überwachung vorgeschlagen, benötigen jedoch im Allgemeinen eine kleine, langlebige, Schnellladebatterie für eine Stromquelle. Die gegenwärtige Batterietechnologie macht es unmöglich, diese Maschinen viel kleiner als einen Millimeter zu bauen - der größte Teil davon ist die Batterie selbst -, was die Geräte fürchterlich ineffizient macht.
Der NIST-Forscher Alec Talin und seine Kollegen haben einen winzigen Wald von etwa 7 Mikrometer großen und 800 Nanometer breiten Lithium-Ionen-Festkörperbatterien angelegt, um festzustellen, wie klein sie mit vorhandenen Materialien hergestellt werden können, und um ihre Leistung zu testen.
Ausgehend von Silizium-Nanodrähten schichteten die Forscher Schichten aus Metall (als Kontakt), Kathodenmaterial, Elektrolyt und Anodenmaterialien mit verschiedenen Dicken ab, um die Miniaturbatterien zu bilden. Mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) beobachteten sie den Stromfluss durch die Batterien und beobachteten, wie sich die Materialien in ihnen beim Laden und Entladen ändern.
Das Team stellte fest, dass, wenn die Dicke des Elektrolytfilms unter eine Schwelle von etwa 200 Nanometern fällt **, die Elektronen die Elektrolytgrenze überspringen können, anstatt durch den Draht zum Gerät und weiter zur Kathode zu fließen. Elektronen, die den kurzen Weg durch den Elektrolyten nehmen - ein Kurzschluss - bewirken, dass der Elektrolyt zusammenbricht und sich die Batterie schnell entlädt.
"Was nicht klar ist, ist genau, warum der Elektrolyt zerfällt", sagt Talin. „Klar ist jedoch, dass wir einen neuen Elektrolyten entwickeln müssen, wenn wir kleinere Batterien bauen wollen. Das vorherrschende Material, LiPON, wird einfach nicht in der Dicke funktionieren, die für die Herstellung praktischer wiederaufladbarer Batterien mit hoher Energiedichte für autonome MEMS erforderlich ist. “
* D. Ruzmetov, V.P. Oleshko, P.M. Haney, H.J. Lezec, K. Karki, K.H. Baloch, A.K. Agrawal, A.V. Davydov, S. Krylyuk, Y. Liu, J. Huang, M. Tanase, J. Cumings und A.A. Talin. Die Elektrolytstabilität bestimmt die Skalierungsgrenzen für 3D-Li-Ionen-Festkörperbatterien, Nano Letters 12, 505-511 (2011).
** Stellt die neuesten Daten der Gruppe dar, die nach Veröffentlichung des oben genannten Papiers erfasst wurden.