Ingenjörer vid University of Maryland har skapat ett tunt batteri, gjorda av några miljoner omsorgsfullt konstruerade "mikrobatterier" i en kvadrattum. Varje mikrobatteri är formad som en mycket hög, runt rum, ger en stor yta – som väggutrymme – på vilken nanotunna batterilager monteras. De tunna skikten tillsammans med stor yta ger mycket hög effekt tillsammans med hög energi. Det kallas ett "3-D-batteri" eftersom varje mikrobatteri har en distinkt 3-D-form.

Dessa 3D-batterier skjuter konventionella plana tunnfilmsbatterier till en tredje dimension. Plana batterier är en enda stapel av platta lager som tjänar rollen som anod, elektrolyt, katod- och strömavtagare.

Men för att göra 3D-batterier, forskarna borrade smala hål bildas i kisel, inte bredare än en tråd av spindelsilke men många gånger djupare. Batterimaterialen var belagda på innerväggarna i de djupa hålen. Den ökade väggytan på 3D-mikrobatterierna ger ökad energi, medan tunnheten på lagren dramatiskt ökar kraften som kan levereras. Processen är lite mer komplicerad och dyrare än sin platta motsvarighet, men leder till mer energi och högre kraft i samma fotavtryck.

I mer än ett decennium, batteriforskare har känt till kraft- och energifördelarna som en 3D-batteridesign, men tillverkning och testning har varit misslyckade fram till den senaste framgången av Maryland NEES-teamet. Det beror på att de tänkte använda en teknik som kallas atomlageravsättning, där varje lager bara är några få atomer tjockt. Varje material, för varje del av batteriet, värms upp tills atomerna skapar en fin dimma som lägger sig över formen, fäster sig tätt och i ett fint tunt lager. Att bygga batterierna på detta sätt säkerställde att varje lager anpassade sig till sidorna av hålet, utan blobbar eller obelagda utrymmen.

Denna artikel visar ett "definitivt bevis på att energitäthet och effekttäthet ökar i enlighet med ökad yta, sa Keith Gregorczyk, en biträdande forskare vid University of Maryland, och en medlem av teamet som uppnådde 3D-mikrobatterierna.

"En stor fördel med det här batteriet är att det är solid-state, vilket betyder att den inte innehåller några brandfarliga vätskor som kan fatta eld som konventionella litiumbaserade batterier kan, sa Gary Rubloff, studiens huvudutredare. "Och eftersom det är tillverkat med samma tillverkningsprocesser som för halvledarchips, den kan integreras direkt i en mängd olika enheter, från hälsomonitorer och mobiltelefoner till många andra applikationer."

Rubloff är chef för Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), ett DOE-sponsrat anslag på 25,2 miljoner USD från Energy Frontier Research Center. Rubloff är också grundare av Maryland NanoCenter och en framstående universitetsprofessor med utnämningar vid avdelningen för materialvetenskap och teknik, Institutet för systemforskning, och Institutet för forskning inom elektronik och tillämpad fysik.

En beskrivning och analys av 3-D solid state-batteriet och dess potential dök upp i journalen ACS Nano den 24 april, 2018.