Ingenieurs van de Universiteit van Maryland hebben een dunne batterij gemaakt, gemaakt van een paar miljoen zorgvuldig geconstrueerde "microbatterijen" in een vierkante inch. Elke microbatterij heeft de vorm van een zeer hoge, ronde kamer, biedt veel oppervlak - zoals wandruimte - waarop nanodunne batterijlagen worden gemonteerd. De dunne lagen samen met een groot oppervlak produceren een zeer hoog vermogen samen met een hoge energie. Het wordt een "3-D-batterij" genoemd omdat elke microbatterij een duidelijk 3D-vorm heeft.

Deze 3D-batterijen duwen conventionele vlakke dunne-film solid-state batterijen naar een derde dimensie. Planaire batterijen zijn een enkele stapel platte lagen die de rol van anode dienen, elektrolyt, kathode en stroomafnemers.

Maar om de 3D-batterijen te maken, de onderzoekers boorden smalle gaatjes in silicium, niet breder dan een streng spinnenzijde maar vele malen dieper. De batterijmaterialen werden gecoat op de binnenmuren van de diepe gaten. Het grotere wandoppervlak van de 3D-microbatterijen zorgt voor meer energie, terwijl de dunheid van de lagen het vermogen dat kan worden geleverd dramatisch verhoogt. Het proces is iets gecompliceerder en duurder dan zijn platte tegenhanger, maar leidt tot meer energie en meer vermogen in dezelfde voetafdruk.

Al meer dan een decennium, batterijonderzoekers kennen de kracht- en energievoordelen zoals een 3D-batterijontwerp, maar fabricage en testen waren niet succesvol tot het recente succes door het Maryland NEES-team. Dat komt omdat ze dachten een techniek te gebruiken die atoomlaagafzetting wordt genoemd, waarin elke laag slechts enkele atomen dik is. Elk materiaal, voor elk deel van de batterij, wordt verwarmd totdat de atomen een fijne nevel creëren die over de vorm neerslaat, hecht zich nauw en in een fijn dun laagje. Het op deze manier bouwen van de batterijen zorgde ervoor dat elke laag zich aanpaste aan de zijkanten van het gat, zonder klodders of niet-gecoate ruimtes.

Dit document toont een "definitief bewijs van concept dat energiedichtheid en vermogensdichtheid toenemen in overeenstemming met een groter oppervlak, " zei Keith Gregorczyk, een assistent-onderzoeker aan de Universiteit van Maryland, en een lid van het team dat de 3D-microbatterijen heeft gemaakt.

"Een groot voordeel van deze batterij is dat hij in vaste toestand is, wat betekent dat het geen ontvlambare vloeistoffen bevat die vlam kunnen vatten zoals conventionele op lithium gebaseerde batterijen dat kunnen, " zei Gary Rubloff, de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "En omdat het is vervaardigd met behulp van dezelfde productieprocessen als die voor halfgeleiderchips, het kan direct in verschillende apparaten worden geïntegreerd, van gezondheidsmonitoren en mobiele telefoons tot vele andere toepassingen."

Rubloff is directeur van Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), een door het DOE gesponsorde subsidie ​​van het Energy Frontier Research Center van $ 25,2 miljoen. Rubloff is ook de oprichter en directeur van het Maryland NanoCenter en een Distinguished University Professor met benoemingen in de afdeling materiaalkunde en engineering, het Instituut voor Systeemonderzoek, en het Instituut voor Onderzoek in Elektronica en Toegepaste Natuurkunde.

Een beschrijving en analyse van de 3D solid-state batterij en het potentieel ervan verscheen in het tijdschrift ACS Nano op 24 april 2018.