(PhysOrg.com) - Rice University forskare har tagit ett steg närmare att skapa robusta, tredimensionella mikrobatterier som skulle ladda snabbare och ha andra fördelar jämfört med konventionella litiumjonbatterier. De kan driva nya generationer av fjärrsensorer, skärmar, smartkort, flexibel elektronik och biomedicinsk utrustning.

Batterierna använder vertikala uppsättningar av nickel-tenn nanotrådar perfekt inneslutna i PMMA, en mycket använd polymer mest känd som plexiglas. Rislaboratoriet i Pulickel Ajayan hittade ett sätt att på ett tillförlitligt sätt belägga enstaka nanotrådar med ett mjukt lager av en PMMA-baserad gelelektrolyt som isolerar trådarna från motelektroden samtidigt som joner kan passera igenom.

Arbetet rapporterades denna vecka i nätupplagan av tidskriften Nanobokstäver .

"I ett batteri, du har två elektroder åtskilda av en tjock barriär, sa Ajayan, professor i maskinteknik och materialvetenskap och kemi. "Utmaningen är att få allt i närheten så att denna elektrokemi blir mycket mer effektiv."

Ajayan och hans team anser att de har gjort det genom att odla skogar av belagda nanotrådar - miljontals av dem på ett fingernagelstort chip - för skalbara mikroenheter med större yta än konventionella tunnfilmsbatterier. "Du kan inte helt enkelt skala tjockleken på ett tunnfilmsbatteri, eftersom litiumjonkinetiken skulle bli trög, " sa Ajayan.

"Vi ville ta reda på hur de föreslagna 3D-konstruktionerna av batterier kan byggas från nanoskala upp, sa Sanketh Gowda, en doktorand i Ajayans labb. "Genom att öka höjden på nanotrådarna, vi kan öka mängden energi som lagras samtidigt som litiumjonens diffusionsavstånd hålls konstant. "

Forskarna, ledd av Gowda och postdoktorn Arava Leela Mohana Reddy, arbetat i mer än ett år för att förfina processen.

"För att vara rättvis, 3D-konceptet har funnits ett tag, Reddy sa. "Genombrottet här är förmågan att lägga ett konformt lager av PMMA på en nanotråd över långa avstånd. Även ett litet avbrott i beläggningen skulle förstöra den." Han sa att samma tillvägagångssätt testas på nanotrådssystem med högre kapacitet.

Processen bygger på labbets tidigare forskning för att bygga koaxial nanotrådskablar som rapporterades i Nanobokstäver förra året. I det nya arbetet, forskarna odlade 10 mikron långa nanotrådar via elektroutfällning i porerna på en anodiserad aluminiumoxidmall. De breddade sedan porerna med en enkel kemisk etsningsteknik och droppbelagd PMMA på arrayen för att ge nanotrådarna ett jämnt hölje från topp till botten. En kemisk tvätt tog bort mallen.

De har byggt en centimeter kvadratiska mikrobatterier som håller mer energi och som laddas snabbare än plana batterier med samma elektrodlängd. "Genom att gå till 3D, vi kan leverera mer energi i samma fotavtryck, " sa Gowda.

De känner att PMMA -beläggningen kommer att öka antalet gånger ett batteri kan laddas genom att stabilisera förhållandena mellan nanotrådarna och flytande elektrolyt, som tenderar att gå sönder med tiden.

Teamet studerar också hur cykling påverkar nanotrådar som, som kiselelektroder, expandera och dra ihop sig när litiumjoner kommer och går. Elektronmikroskopbilder av nanotrådar tagna efter många laddnings-/urladdningscykler visade inga brott i PMMA-höljet - inte ens nålhål. Detta fick forskarna att tro att beläggningen tål volymexpansionen i elektroden, vilket kan öka batteriernas livslängd.