(PhysOrg.com) -- Het blijkt dat jij kan te dun zijn -- vooral als je een batterij op nanoschaal bent. Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology, de Universiteit van Maryland, Collegepark, en Sandia National Laboratories hebben een reeks nanodraadbatterijen gebouwd om aan te tonen dat de dikte van de elektrolytlaag de prestaties van de batterij dramatisch kan beïnvloeden, effectief een ondergrens instellen voor de grootte van de kleine stroombronnen. De resultaten zijn belangrijk omdat de grootte en prestaties van de batterij de sleutel zijn tot de ontwikkeling van autonome MEMS - micro-elektromechanische machines - die potentieel revolutionaire toepassingen hebben in een breed scala van gebieden.

MEMS-apparaten, die zo klein kan zijn als tientallen micrometers (dat wil zeggen, ongeveer een tiende van de breedte van een mensenhaar), zijn voorgesteld voor vele toepassingen in de geneeskunde en industriële monitoring, maar ze hebben over het algemeen een kleine, langlevend, snelladende batterij voor een stroombron. De huidige batterijtechnologie maakt het onmogelijk om deze machines veel kleiner dan een millimeter te bouwen - waarvan het grootste deel de batterij zelf is - wat de apparaten vreselijk inefficiënt maakt.

NIST-onderzoeker Alec Talin en zijn collega's creëerden een waar bos van kleine - ongeveer 7 micrometer lang en 800 nanometer breed - solid-state lithium-ionbatterijen om te zien hoe klein ze konden worden gemaakt met bestaande materialen en om hun prestaties te testen.

Beginnend met silicium nanodraden, de onderzoekers legden laagjes metaal neer (voor een contact), kathode materiaal, elektrolyt, en anodematerialen met verschillende diktes om de miniatuurbatterijen te vormen. Ze gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) om de stroom door de batterijen te observeren en te kijken hoe de materialen erin veranderen terwijl ze werden opgeladen en ontladen.

Het team ontdekte dat wanneer de dikte van de elektrolytfilm onder een drempel van ongeveer 200 nanometer komt, de elektronen kunnen over de elektrolytgrens springen in plaats van door de draad naar het apparaat en naar de kathode te stromen. Elektronen die de korte weg door de elektrolyt nemen - een kortsluiting - zorgen ervoor dat de elektrolyt kapot gaat en de batterij snel ontlaadt.

“Wat niet duidelijk is, is waarom de elektrolyt precies afbreekt, ’ zegt Talijn. “Maar wat wel duidelijk is, is dat we een nieuwe elektrolyt moeten ontwikkelen als we kleinere batterijen gaan bouwen. Het overheersende materiaal, LiPON, zal gewoon niet werken met de diktes die nodig zijn om praktische oplaadbare batterijen met hoge energiedichtheid te maken voor autonome MEMS.”