Голография помогла создать миниатюрную 3D-батарейку

3D-батарея имеет размер четыре квадратных миллиметра и может десять секунд держать обычный светодиод зажженным

Фотография: University of Illinois

Ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне в США создали 3D-батарею размером 2×2 миллиметра, емкости которой достаточно, чтобы питать небольшую микросхему. Новое устройство было произведено при помощи методов 3D-голографической литографии и фотолитографии. Работа опубликована в Proceedings of National Academy of Sciences.

Для работы всех электронных устройств необходимы источники питания, которые зачастую занимают достаточно большой объем. Это накладывает ряд ограничений на дизайн и потенциальную сферу применения таких устройств. Для решения этой проблемы делаются попытки создать элементы питания, имеющие значительную емкость при миниатюрных размерах.

Одно из направлений — тонкие батареи, состоящие из двух плоских электродов и объема электролита между ними. Они занимают небольшой объем, но большую площадь. Для оптимизации размеров устройства ученые стремятся найти оптимальный баланс между толщиной и площадью. В случае плоских электродов такой подход не дает хороших результатов из-за ограниченной подвижности ионов при увеличении толщины батареи.

Для решения этой проблемы ученые в новой работе создали «3D-батареи», в которых внутри электродов создана развитая система полостей и пор, что увеличивает эффективную поверхность электродов и частично снимает ограничения на подвижность внутри них.

Для создания этого устройства авторы пользовались методом 3D-голографической литографии. Он позволяет при помощи нескольких лазерных лучей вытравливать строго определенные участки из материала, создавая таким образом упорядоченные трехмерные структуры — пористые электроды.

Для их оптимального расположения на самой батарее применялась стандартная фотолитография, которая также при помощи лазерного луча позволяет придавать материалу необходимую двухмерную форму.

В качестве материалов анодов авторы использовали NiSn, а для катодов — LiMnO2. Полученные устройства достигали пиковой мощности 3600 микроватт на квадратный сантиметр при микронной толщине. Для теста такой батареи в условиях реального микрочипа ученые собрали простую цепь с красным светодиодом. Емкости их элемента хватало, чтобы держать светодиод зажженным в течении 10 секунд, а после 200 циклов перезарядки батарея сохраняла 88% изначальной емкости.

Подобные элементы питания могут найти применение для создания небольших беспроводных сенсоров, медицинских имплантов или электромеханических актуаторов — миниатюрных приводов, которые могут использоваться, например, в робототехнике.


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.