Batterier kan verka som om de finns i alla former och storlekar som du kan tänka dig. Men när elektroniska enheter blir mindre och smalare utan att minska deras kraft- och energibehov, de utmanar ingenjörer att designa batterier som kan passa in i mindre och mindre utrymmen utan att kompromissa med prestanda. Forskare i USA har använt icke-traditionella tekniker för att skapa en möjlig lösning - ett kraftfullt 3D litiumjonbatteri med ett fotavtryck i storleksordningen hundra korn salt. Deras arbete visas den 3 maj i tidskriften Joule .

"För små sensorer, du måste designa om batteriet så att det blir som en skyskrapa i New York istället för ett ranchhus i Kalifornien, " säger seniorförfattaren Bruce Dunn, professor i materialvetenskap och teknik vid University of California, Los Angeles (UCLA). "Det är vad ett 3D-batteri gör, och vi kan använda halvledarbearbetning och en konform elektrolyt för att göra en som är kompatibel med kraven från små internetanslutna enheter."

Även de mest innovativa tvådimensionella batterierna är begränsade i formerna de kan ta - basbatteriet tar en bit anod och en bit katod och packar en jonledande elektrolyt mellan de två för att slutföra kretsen. Å andra sidan, det finns i princip otaliga sätt att skapa en 3D-anod och en 3D-katod som knäpper ihop som pusselbitar (fortfarande nödvändigtvis åtskilda av en liten mängd elektrolyt). Installationen som valts av Dunns grupp kallas en "koncentriskt rör"-design, där en uppsättning jämnt fördelade anodstolpar täcks likformigt av ett tunt skikt av en fotomönstrad polymerelektrolyt och området mellan stolparna är fyllt med katodmaterialet.

Trots denna skenbara enkelhet, många forskare har bara kunnat bygga hälften av ett 3D-batteri, skapa anoder och katoder som är stabila på egen hand, men misslyckas när man försöker sätta ihop dessa elektroder till ett fungerande batteri. Under tiden, nästan alla 3D-batterier som har satts ihop har inte varit nämnvärt bättre än vanliga tvådimensionella versioner. Dunn och postdoktorer, Janet Hur och Leland Smith, övervann dessa hinder genom att ta metoder som normalt används för att tillverka halvledare och modifiera dem för att skära kisel i ett rutnät av exakt fördelade cylindrar som de ville ha för anoden. "Det är något som batterivärlden helt enkelt inte gör, " säger Dunn.

För att slutföra batteriet, de applicerade tunna lager av elektrolyt på kiselstrukturen och hällde i ett standard litiumjonkatodmaterial, använd anoden som en form för att säkerställa att de två halvorna passar ihop precis rätt. Det resulterande batteriet uppnådde en energitäthet på 5,2 milliwattimmar per kvadratcentimeter, bland de högsta rapporterade för ett 3D-batteri, samtidigt som den upptar ett minimalt fotavtryck på 0,09 kvadratcentimeter och tål 100 cykler av laddning och urladdning.

Dunn varnar för att just detta 3D-batteri ännu inte har nått sin fulla potential, eftersom han hoppas att han och hans team kan öka dess energitäthet med ytterligare justering av batterikomponenter och montering. "En annan utmaning med batterier är alltid förpackningen, " tillägger han. "Du måste försegla dem, hålla dem små, och se till att de fungerar lika bra i den verkliga världen som i handskfacket."