(Phys.org) — Hoewel ze maar klein zijn, ze zijn woest. De krachtigste batterijen ter wereld zijn slechts enkele millimeters groot, maar ze pakken zo'n stoot uit dat een bestuurder een mobiele telefoon kan gebruiken die wordt gevoed door deze batterijen om een ​​lege auto-accu op te starten - en vervolgens de telefoon in een oogwenk weer op te laden.

Ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, de nieuwe microbatterijen overtreffen zelfs de beste supercondensatoren en zouden nieuwe toepassingen in radiocommunicatie en compacte elektronica kunnen aandrijven.

Onder leiding van William P. King, de Bliss Professor van mechanische wetenschappen en techniek, de onderzoekers publiceerden hun resultaten in het nummer van 16 april van Natuurcommunicatie .

"Dit is een geheel nieuwe manier van denken over batterijen, King zei. "Een batterij kan veel meer stroom leveren dan iemand ooit had gedacht. In de afgelopen decennia, elektronica is klein geworden. De denkende delen van computers zijn klein geworden. En de batterij is ver achtergebleven. Dit is een microtechnologie die dat allemaal zou kunnen veranderen. Nu is de stroombron net zo krachtig als de rest."

Met de momenteel beschikbare stroombronnen, gebruikers hebben moeten kiezen tussen stroom en energie. Voor toepassingen die veel stroom nodig hebben, zoals het uitzenden van een radiosignaal over een lange afstand, condensatoren kunnen zeer snel energie vrijgeven, maar kunnen slechts een kleine hoeveelheid opslaan. Voor toepassingen die veel energie nodig hebben, alsof je een lange tijd een radio speelt, brandstofcellen en accu's kunnen veel energie bevatten, maar geven deze af of laden langzaam op.

"Er is een offer, " zei James Pikul, een afgestudeerde student en eerste auteur van het papier. "Als je veel energie wilt, kun je geen hoog vermogen krijgen; als je hoog vermogen wilt, is het erg moeilijk om veel energie te krijgen. Maar voor zeer interessante toepassingen, vooral moderne toepassingen, je hebt beide echt nodig. Dat is wat onze batterijen beginnen te doen. We dringen echt een gebied binnen in de ontwerpruimte voor energieopslag dat momenteel niet beschikbaar is met technologieën van vandaag."

De nieuwe microbatterijen bieden zowel kracht als energie, en door de structuur een beetje aan te passen, de onderzoekers kunnen ze afstemmen over een breed bereik op de schaal van macht versus energie.

De batterijen danken hun hoge prestaties aan hun interne driedimensionale microstructuur. Batterijen hebben twee belangrijke componenten:de anode (min-kant) en kathode (plus-kant). Voortbouwend op een nieuw snelladend kathodeontwerp door de groep van materiaalwetenschap en techniekprofessor Paul Braun, King en Pikul ontwikkelden een bijpassende anode en ontwikkelden vervolgens een nieuwe manier om de twee componenten op microschaal te integreren om een ​​complete batterij te maken met superieure prestaties.

Met zoveel kracht, de batterijen kunnen sensoren of radiosignalen inschakelen die 30 keer verder uitzenden, of apparaten 30 keer kleiner. De batterijen zijn oplaadbaar en kunnen 1, 000 keer sneller dan concurrerende technologieën - stel je voor dat je een creditcard-dunne telefoon in minder dan een seconde kunt persen. Naast consumentenelektronica, medische apparatuur, lasers, sensoren en andere toepassingen zouden technologische vooruitgang kunnen boeken met dergelijke stroombronnen.

"Elk soort elektronisch apparaat wordt beperkt door de grootte van de batterij - tot nu toe, King zei. "Denk aan persoonlijke medische apparaten en implantaten, waar de batterij een enorme steen is, en het is verbonden met piepkleine elektronica en kleine draden. Nu is de batterij ook klein."

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers werken aan de integratie van hun batterijen met andere elektronische componenten, evenals produceerbaarheid tegen lage kosten.

"Nu kunnen we out of the box denken, " zei Pikul. "Het is een nieuwe technologie. Het is geen progressieve verbetering ten opzichte van eerdere technologieën; het doorbreekt de normale paradigma's van energiebronnen. Het stelt ons in staat om het anders te doen, nieuwe dingen."

De National Science Foundation en het Air Force Office of Scientific Research ondersteunden dit werk. King is ook verbonden aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology; het Frederick Seitz Materials Research Laboratory; het laboratorium voor micro- en nanotechnologie; en de afdeling elektrische en computertechniek aan de U. of I.