Las nuevas microbaterías 3D cumplen con los estándares de la industria en forma de equivalentes de película delgada

Las baterías de iones de litio de película delgada que se utilizan en microdispositivos, como dispositivos electrónicos portátiles y médicos, pueden proporcionar una gran cantidad de energía en relación con su peso, pero no proporcionan suficiente energía para muchos dispositivos debido a su tamaño limitado. Los científicos introdujeron un proceso de fabricación que crea microbaterías gruesas de electrodos 3D mediante litografía y electrodeposición, y sella cada unidad en un paquete de electrolito en gel. Los investigadores encontraron que el nuevo prototipo exhibía la densidad de potencia máxima más alta de cualquier microbatería reportada.

Un nuevo estudio, dirigido por el investigador de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Dr. Pengcheng Sun, y Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ha sido publicado en la revista. Materiales avanzados.

La mayoría de las microbaterías tienen ánodos y cátodos planos y muy delgados, que son excelentes para ahorrar espacio, pero no brindan el rendimiento requerido para la transmisión inalámbrica en las tecnologías actuales, encontraron los investigadores.

“La respuesta podría ser usar electrodos más gruesos que podrían contener más energía en un área limitada, pero eso por sí solo aumentará el camino que deben recorrer los iones y electrones, lo que limita energía“dijo Sun”. El uso de electrodos 3D porosos llenos de electrolito líquido puede acortar este camino, pero empaquetar tales microbaterías es extremadamente difícil. “

El equipo dijo que hubo un estudio que usó litografía impresa para construir una microbatería 3D que logró un alto pico de potencia usando un electrolito líquido, pero el rendimiento de este ejemplo se midió en una batería sin sellar en condiciones de laboratorio.

Como parte de la nueva investigación, el equipo desarrolló un proceso de llenado capilar único que puede llenar electrodos porosos 3D con electrolito en gel, lo que permite que la microbatería se empaquete herméticamente.

“Usar un electrolito en gel más espeso en lugar de un líquido nos da mucho más control”, dijo Braun. “La naturaleza de gel del electrolito nos da más tiempo para sellar la batería sin fugas del electrolito. De forma predeterminada, el gel también proporciona una batería de iones de litio más segura, ya que es menos propensa a fugas, lo que podría ser un problema en el líquido. electrólito-completo baterías de iones de litio“.

Las nuevas celdas de batería empaquetadas tienen energia alta y densidades de potencia de 1,24 julios por centímetro cuadrado y 75,5 milivatios por centímetro cuadrado, respectivamente, unas diez veces más que las disponibles actualmente, hallaron los investigadores. Las baterías se pueden ciclar 200 veces en condiciones normales mientras retienen el 75% de su capacidad de descarga inicial. y usando electrolito liquidoLas nuevas baterías ofrecen una densidad de potencia aún mayor de 218 milivatios por centímetro cuadrado, informa el estudio, que muestra potencial para nuevas mejoras.

“Nuestra microbatería puede proporcionar energía autónoma a microescala durante 132 días”, dijo Sun. “Esto se basa en la suposición razonable de que este tipo de dispositivo consume 5 microvatios modo de espera y 5 milivatios cuando se transmiten datos cuando el tiempo de espera es de 100 segundos y el tiempo de transmisión es de 10 milisegundos. ”

El equipo dijo que las técnicas de fabricación y empaquetado utilizadas en este estudio podrían acelerar el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de semiconductores a microescala de alto rendimiento con 3D complejo. electrodo configuraciones.