In moderne mobiele telefoons zitten miljarden schakelaars op nanoschaal die aan en uit kunnen worden gedraaid. zodat de telefoon kan functioneren. Deze schakelaars, transistoren genoemd, worden bestuurd door een elektrisch signaal dat wordt geleverd via een enkele batterij. Deze configuratie van één batterij om meerdere componenten van stroom te voorzien, werkt goed voor de huidige technologieën, maar er is ruimte voor verbetering. Elke keer dat een signaal van de batterij naar een component wordt geleid, er gaat wat kracht verloren tijdens de reis. Elk onderdeel met een eigen batterij koppelen zou een veel betere opstelling zijn, het minimaliseren van energieverlies en het maximaliseren van de levensduur van de batterij. Echter, in de huidige technische wereld, batterijen zijn niet klein genoeg om deze opstelling mogelijk te maken - althans nog niet.

Nutsvoorzieningen, MIT Lincoln Laboratory en het MIT Department of Materials Science and Engineering hebben vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van waterstofbatterijen op nanoschaal die gebruikmaken van watersplitsingstechnologie. Met deze batterijen de onderzoekers streven naar een snellere lading, langer leven, en minder verspilde energie. In aanvulling, de batterijen zijn relatief eenvoudig te fabriceren bij kamertemperatuur en fysiek aan te passen aan unieke structurele behoeften.

"Batterijen zijn een van de grootste problemen waar we in het laboratorium tegenaan lopen, " zegt Raoul Ouedraogo, die van de Advanced Sensors and Techniques Group van Lincoln Laboratory is en de hoofdonderzoeker van het project is. "Er is aanzienlijke interesse in zeer geminiaturiseerde sensoren die helemaal tot de grootte van een mensenhaar gaan. We zouden dat soort sensoren kunnen maken, maar veel succes met het vinden van een batterij die zo klein is. Huidige batterijen kunnen rond zijn zoals knoopcellen, in de vorm van een buis, of dun maar op een centimeterschaal. Als we de mogelijkheid hebben om onze eigen batterijen in elke vorm of geometrie en op een goedkope manier te plaatsen, het opent deuren naar een heleboel toepassingen."

De batterij krijgt zijn lading door interactie met watermoleculen die in de omringende lucht aanwezig zijn. Wanneer een watermolecuul in contact komt met het reactieve, buitenste metalen gedeelte van de batterij, het is opgesplitst in zijn samenstellende delen - één molecuul zuurstof en twee waterstof. De waterstofmoleculen komen vast te zitten in de batterij en kunnen worden opgeslagen totdat ze klaar zijn voor gebruik. In deze staat, de batterij is "opgeladen". Om de lading vrij te geven, de reactie keert om. De waterstofmoleculen bewegen terug door het reactieve metalen gedeelte van de batterij en combineren met zuurstof in de omringende lucht.

Tot dusver, de onderzoekers hebben batterijen gebouwd die 50 nanometer dik zijn - dunner dan een streng mensenhaar. Ze hebben ook aangetoond dat het gebied van de batterijen kan worden geschaald van zo groot als centimeters tot zo klein als nanometers. Dankzij dit schaalvermogen kunnen de batterijen eenvoudig worden geïntegreerd in de buurt van transistors op nano- en microniveau, of in de buurt van componenten en sensoren op millimeter- en centimeterniveau.

"Een handig kenmerk van deze technologie is dat de oxide- en metaallagen heel gemakkelijk kunnen worden gepatroneerd tot aangepaste geometrieën op nanometerschaal, waardoor het eenvoudig is om ingewikkelde batterijpatronen voor een bepaalde toepassing te bouwen of ze op flexibele substraten te plaatsen, " zegt Annie Weathers, een medewerker van de Chemicaliën van het laboratorium, microsysteem, en Nanoscale Technologies Group, die ook bij het project betrokken is.

De batterijen hebben ook een vermogensdichtheid aangetoond die twee orden van grootte groter is dan de meeste momenteel gebruikte batterijen. Een hogere vermogensdichtheid betekent meer vermogen per volume van de batterij.

"Wat ik denk dat dit project heeft laten werken, is het feit dat niemand van ons batterijmensen is, ", zegt Ouedraogo. "Soms is er iemand van buitenaf nodig om nieuwe dingen te zien."

Momenteel, watersplitsingstechnieken worden gebruikt om waterstof te genereren voor grootschalige industriële behoeften. Dit project zal het eerste zijn dat de techniek voor het maken van batterijen toepast, en op veel kleinere schaal.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.