Inuti moderna mobiltelefoner finns miljarder strömbrytare i nanoskala som slås på och av, låter telefonen fungera. Dessa omkopplare, kallas transistorer, styrs av en elektrisk signal som levereras via ett enda batteri. Denna konfiguration av ett batteri för att driva flera komponenter fungerar bra för dagens teknik, men det finns utrymme för förbättringar. Varje gång en signal leds från batteriet till en komponent, en del kraft går förlorad på resan. Att koppla varje komponent med sitt eget batteri skulle vara en mycket bättre inställning, minimerar energiförlusten och maximerar batteritiden. Dock, i den nuvarande teknikvärlden, batterierna är inte tillräckligt små för att tillåta detta arrangemang - åtminstone inte ännu.

Nu, MIT Lincoln Laboratory och MIT Department of Materials Science and Engineering har gjort framsteg i utvecklingen av vätebatterier i nanoskala som använder vattenklyvningsteknik. Med dessa batterier, forskarna strävar efter att leverera en snabbare laddning, längre liv, och mindre slöseri med energi. Dessutom, batterierna är relativt lätta att tillverka i rumstemperatur och anpassar sig fysiskt till unika strukturella behov.

"Batterier är ett av de största problemen vi stöter på på laboratoriet, " säger Raoul Ouedraogo, som kommer från Lincoln Laboratorys Advanced Sensors and Techniques Group och är projektets huvudutredare. "Det finns ett stort intresse för mycket miniatyriserade sensorer som går ända ner till storleken på ett människohår. Vi skulle kunna göra den typen av sensorer, men lycka till med att hitta ett så litet batteri. Nuvarande batterier kan vara runda som myntceller, formad som ett rör, eller tunn men i centimeterskala. Om vi ​​har förmågan att placera våra egna batterier i valfri form eller geometri och på ett billigt sätt, det öppnar dörrar till en mängd applikationer."

Batteriet får sin laddning genom att interagera med vattenmolekyler som finns i den omgivande luften. När en vattenmolekyl kommer i kontakt med det reaktiva, yttre metallsektion av batteriet, den är uppdelad i sina beståndsdelar – en molekyl syre och två väte. Vätemolekylerna fastnar inuti batteriet och kan lagras tills de är redo att användas. I detta tillstånd, batteriet är "laddat". För att frigöra laddningen, reaktionen vänder. Vätemolekylerna rör sig tillbaka genom batteriets reaktiva metallsektion och kombineras med syre i den omgivande luften.

Än så länge, forskarna har byggt batterier som är 50 nanometer tjocka – tunnare än ett hårstrå. De har också visat att ytan på batterierna kan skalas från så stor som centimeter till så liten som nanometer. Denna skalningsförmåga gör att batterierna enkelt kan integreras nära transistorer på nano- och mikronivå, eller nära komponenter och sensorer på millimeter- och centimeternivå.

"En användbar egenskap hos den här tekniken är att oxid- och metallskikten mycket enkelt kan mönstras till anpassade geometrier i nanometerskala, gör det enkelt att bygga intrikata batterimönster för en viss applikation eller att deponera dem på flexibla substrat, " säger Annie Weathers, en anställd på laboratoriets kemikalie, Mikrosystem, och Nanoscale Technologies Group, som också är involverad i projektet.

Batterierna har också visat en effekttäthet som är två storleksordningar större än de flesta för närvarande använda batterier. En högre effekttäthet innebär mer uteffekt per batterivolym.

"Vad jag tror fick det här projektet att fungera är det faktum att ingen av oss är batterimänniskor, ", säger Ouedraogo. "Ibland krävs det någon utifrån för att se nya saker."

För närvarande, vattenuppdelningstekniker används för att generera väte för storskaliga industriella behov. Detta projekt kommer att vara det första att tillämpa tekniken för att skapa batterier, och i mycket mindre skala.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.