(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Rice University zijn een stap dichter bij het creëren van robuuste, driedimensionale microbatterijen die sneller zouden opladen en andere voordelen zouden bieden ten opzichte van conventionele lithium-ionbatterijen. Ze kunnen nieuwe generaties afstandssensoren van stroom voorzien, beeldschermen, slimme kaarten, flexibele elektronica en biomedische apparaten.

De batterijen maken gebruik van verticale arrays van nikkel-tin nanodraden die perfect zijn ingekapseld in PMMA, een veelgebruikt polymeer dat vooral bekend staat als plexiglas. Het Rice-laboratorium van Pulickel Ajayan vond een manier om enkele nanodraden betrouwbaar te coaten met een gladde laag van een op PMMA gebaseerde gelelektrolyt die de draden van de tegenelektrode isoleert en ionen doorlaat.

Het werk werd deze week gerapporteerd in de online editie van het tijdschrift Nano-letters .

"In een batterij, je hebt twee elektroden gescheiden door een dikke barrière, " zei Ajayan, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde. "De uitdaging is om alles dicht bij elkaar te brengen, zodat deze elektrochemie veel efficiënter wordt."

Ajayan en zijn team denken dat ze dat hebben gedaan door bossen met gecoate nanodraden te laten groeien - miljoenen op een chip ter grootte van een vingernagel - voor schaalbare micro-apparaten met een groter oppervlak dan conventionele dunnefilmbatterijen. "Je kunt niet zomaar de dikte van een dunnefilmbatterij schalen, omdat de lithiumionkinetiek traag zou worden, ' zei Ajayan.

"We wilden uitzoeken hoe de voorgestelde 3D-ontwerpen van batterijen kunnen worden opgebouwd vanaf nanoschaal, " zei Sanketh Gowda, een afgestudeerde student in het laboratorium van Ajayan. "Door de hoogte van de nanodraden te vergroten, we kunnen de hoeveelheid opgeslagen energie vergroten terwijl we de diffusieafstand van lithiumionen constant houden."

De onderzoekers, onder leiding van Gowda en postdoctoraal onderzoeker Arava Leela Mohana Reddy, heeft meer dan een jaar gewerkt om het proces te verfijnen.

"Om eerlijk te zijn, het 3D-concept bestaat al een tijdje, " zei Reddy. "De doorbraak hier is de mogelijkheid om over lange afstanden een conforme laag PMMA op een nanodraad aan te brengen. Zelfs een kleine breuk in de coating zou het vernietigen." Hij zei dat dezelfde aanpak wordt getest op nanodraadsystemen met hogere capaciteiten.

Het proces bouwt voort op het eerdere onderzoek van het laboratorium om coaxiale nanodraadkabels te bouwen, waarover werd gerapporteerd in Nano-letters vorig jaar. In het nieuwe werk de onderzoekers groeiden 10 micron lange nanodraden via elektrodepositie in de poriën van een geanodiseerde aluminiumoxidesjabloon. Vervolgens verwijdden ze de poriën met een eenvoudige chemische etstechniek en druppelden PMMA op de array om de nanodraden van boven naar beneden een gelijkmatige behuizing te geven. Een chemische wasbeurt verwijderde de sjabloon.

Ze hebben microbatterijen van één centimeter in het vierkant gebouwd die meer energie bevatten en sneller opladen dan platte batterijen met dezelfde elektrodelengte. "Door naar 3D te gaan, we in staat zijn om meer energie te leveren met dezelfde voetafdruk, ' zei Gowda.

Ze zijn van mening dat de PMMA-coating het aantal keren dat een batterij kan worden opgeladen zal verhogen door de omstandigheden tussen de nanodraden en het vloeibare elektrolyt te stabiliseren, die na verloop van tijd kapot gaan.

Het team bestudeert ook hoe fietsen nanodraden beïnvloedt die, zoals siliciumelektroden, uitzetten en krimpen als lithiumionen komen en gaan. Elektronenmicroscoopbeelden van nanodraden, genomen na vele laad-/ontlaadcycli, vertoonden geen breuken in de PMMA-behuizing - zelfs geen gaatjes. Dit bracht de onderzoekers ertoe te geloven dat de coating bestand is tegen de volume-expansie in de elektrode, wat de levensduur van de batterijen zou kunnen verlengen.