(Phys.org) — In het zeldzame geval dat ze hun cake hebben en die ook opeten, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en andere instellingen hebben een toolset ontwikkeld waarmee ze het complexe interieur van kleine, meerlagige batterijen die ze bedachten. Het geeft inzicht in de prestaties van de batterijen zonder ze te vernietigen - wat resulteert in zowel een nuttige sonde voor wetenschappers als een potentiële krachtbron voor micromachines.

De microscopisch kleine lithium-ionbatterijen worden gemaakt door een siliciumdraad van enkele micrometers lang te nemen en deze in opeenvolgende lagen van verschillende materialen te bedekken. In plaats van een taart, echter, elke voltooide batterij lijkt meer op een kleine boom.

De analogie wordt duidelijk wanneer je de batterijen ziet die met hun wortels aan siliciumwafels zijn bevestigd en bij miljoenen zijn geclusterd in "nanobossen, " zoals het team ze noemt.

Maar het zijn de cake-achtige lagen die de batterijen in staat stellen om elektriciteit op te slaan en te ontladen, en zelfs opgeladen worden. Deze talenten kunnen ze waardevol maken voor het aandrijven van autonome MEMS - micro-elektromechanische machines - die potentieel revolutionaire toepassingen hebben op veel gebieden.

Met zoveel lagen die in dikte kunnen variëren, morfologie en andere parameters, het is van cruciaal belang om de beste manier te kennen om elke laag te bouwen om de prestaties van de batterij te verbeteren, zoals het team in eerder onderzoek vond.** Maar conventionele transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) kon niet alle benodigde details opleveren, dus creëerde het team een ​​nieuwe techniek waarbij multimode scanning TEM (STEM) beeldvorming betrokken was. Met STEM, elektronen verlichten de batterij, waardoor ze onder een groot aantal hoeken worden verstrooid. Om zoveel mogelijk details te zien, het team besloot een set elektronendetectoren te gebruiken om elektronen te verzamelen in een breed scala van verstrooiingshoeken, een opstelling die hen veel structurele informatie gaf om een ​​duidelijk beeld te krijgen van het interieur van de batterij, tot op nanoschaalniveau.

De veelbelovende toolset van elektronenmicroscopietechnieken hielp de onderzoekers om betere manieren te vinden om de kleine batterijen te bouwen. "We hadden veel keuze in welke materialen we moesten storten en in welke diktes, en veel theorieën over wat te doen, " zegt teamlid Vladimir Oleshko. "Maar nu, als resultaat van onze analyses, we hebben direct bewijs van de beste aanpak.

"MEMS-fabrikanten zouden de batterijen zelf kunnen gebruiken, waarvan er een miljoen kan worden gefabriceerd op een vierkante centimeter van een siliciumwafel. Maar dezelfde fabrikanten zouden ook kunnen profiteren van de analytische toolset van het team. Oleshko wijst erop dat de jonge, snel opkomende gebied van additieve productie, die apparaten creëert door componentmaterialen laag voor laag op te bouwen, moet zijn creaties vaak op een niet-invasieve manier analyseren. Voor die baan, de aanpak van het team zou de kroon kunnen zijn.