Batterijen lijken misschien in alle soorten en maten die je maar kunt bedenken. Maar naarmate elektronische apparaten kleiner en magerder worden zonder hun stroom- en energiebehoefte te verminderen, ze dagen ingenieurs uit om batterijen te ontwerpen die in steeds kleinere ruimtes passen zonder concessies te doen aan de prestaties. Onderzoekers in de Verenigde Staten hebben niet-traditionele technieken gebruikt om een ​​mogelijke oplossing te bedenken:een krachtige 3D-lithiumionbatterij met een voetafdruk in de orde van honderd korrels zout. Hun werk verschijnt op 3 mei in het tijdschrift Joule .

"Voor kleine sensoren, je moet de batterij opnieuw ontwerpen als een wolkenkrabber in New York in plaats van een boerderij in Californië, " zegt senior auteur Bruce Dunn, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA). "Dat is wat een 3D-batterij doet, en we kunnen halfgeleiderverwerking en een conforme elektrolyt gebruiken om er een te maken die compatibel is met de eisen van kleine op internet aangesloten apparaten."

Zelfs de meest innovatieve tweedimensionale batterijen zijn beperkt in de vormen die ze kunnen aannemen - de basisbatterij neemt een plakje anode en een plakje kathode en verpakt een ionengeleidend elektrolyt tussen de twee om het circuit te voltooien. Anderzijds, er zijn in principe talloze manieren om een ​​3D-anode en een 3D-kathode te maken die als puzzelstukjes in elkaar klikken (nog steeds noodzakelijkerwijs gescheiden door een kleine hoeveelheid elektrolyt). De door de groep van Dunn gekozen opstelling wordt een "concentrisch-buis" -ontwerp genoemd, waarbij een reeks gelijkmatig uit elkaar geplaatste anodeposten gelijkmatig wordt bedekt door een dunne laag van een fotopatroonbare polymeerelektrolyt en het gebied tussen de posten is gevuld met het kathodemateriaal.

Ondanks deze ogenschijnlijke eenvoud, veel onderzoekers hebben maar de helft van een 3D-batterij kunnen bouwen, het creëren van anoden en kathoden die op zichzelf stabiel zijn, maar mislukken wanneer u probeert deze elektroden in één functionele batterij te monteren. In de tussentijd, bijna alle 3D-batterijen die zijn gemonteerd, zijn niet significant beter geweest dan de gewone tweedimensionale versies. Dunn en postdoctorale wetenschappers, Janet Hur en Leland Smith, overwon deze hindernissen door methoden te gebruiken die normaal worden gebruikt om halfgeleiders te maken en deze aan te passen om silicium te snijden in een raster van precies op afstand gelegen cilinders die ze voor de anode wilden. "Dat is iets wat de batterijwereld gewoon niet doet, ' zegt Dunn.

Om de batterij te voltooien, ze brachten dunne lagen elektrolyt aan op de siliciumstructuur en goten er een standaard lithium-ion kathodemateriaal in, door de anode als mal te gebruiken om ervoor te zorgen dat de twee helften precies goed in elkaar zouden passen. De resulterende batterij bereikte een energiedichtheid van 5,2 milliwattuur per vierkante centimeter, een van de hoogste gerapporteerde voor een 3D-batterij, terwijl het een minuscule voetafdruk van 0,09 vierkante centimeter inneemt en 100 cycli van opladen en ontladen weerstaat.

Dunn waarschuwt dat deze specifieke 3D-batterij zijn volledige potentieel nog niet heeft bereikt, omdat hij hoopt dat hij en zijn team de energiedichtheid kunnen verhogen met verdere afstemming van batterijcomponenten en montage. "Een andere uitdaging met batterijen is altijd de verpakking, " voegt hij eraan toe. "Je moet ze verzegelen, houd ze klein, en zorg ervoor dat ze in de echte wereld net zo goed functioneren als in het dashboardkastje."