Med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop, NIST-forskare kunde se individuella batterier i nanostorlek med elektrolyter av olika tjocklek laddas och urladdas. NIST-teamet upptäckte att det sannolikt finns en lägre gräns för hur tunt ett elektrolytskikt kan göras innan det orsakar att batteriet inte fungerar. Kredit:Talin/NIST
(PhysOrg.com) -- Det visar sig du burk vara för tunn -- speciellt om du är ett batteri i nanoskala. Forskare från National Institute of Standards and Technology, University of Maryland, College Park, och Sandia National Laboratories byggde en serie nanotrådsbatterier för att visa att tjockleken på elektrolytskiktet dramatiskt kan påverka batteriets prestanda, sätter effektivt en nedre gräns för storleken på de små strömkällorna. Resultaten är viktiga eftersom batteristorlek och prestanda är nyckeln till utvecklingen av autonoma MEMS—mikroelektromekaniska maskiner—som har potentiellt revolutionerande tillämpningar inom ett brett spektrum av områden.
MEMS-enheter, som kan vara så liten som tiotals mikrometer (det vill säga, ungefär en tiondel av ett människohårs bredd), har föreslagits för många tillämpningar inom medicin och industriell övervakning, men de behöver vanligtvis en liten, långlivade, snabbladdningsbatteri för en strömkälla. Nuvarande batteriteknik gör det omöjligt att bygga dessa maskiner mycket mindre än en millimeter – varav de flesta är själva batteriet – vilket gör enheterna fruktansvärt ineffektiva.
NIST-forskaren Alec Talin och hans kollegor skapade en veritabel skog av små – cirka 7 mikrometer höga och 800 nanometer breda – solid-state litiumjonbatterier för att se hur små de kunde göras med befintliga material och för att testa deras prestanda.
Börjar med nanotrådar av kisel, forskarna deponerade lager av metall (för en kontakt), katodmaterial, elektrolyt, och anodmaterial med olika tjocklekar för att bilda miniatyrbatterier. De använde ett transmissionselektronmikroskop (TEM) för att observera strömflödet genom batterierna och se materialet inuti dem förändras när de laddas och laddas ur.
Teamet fann att när tjockleken på elektrolytfilmen faller under ett tröskelvärde på cirka 200 nanometer, elektronerna kan hoppa över elektrolytgränsen istället för att strömma genom ledningen till enheten och vidare till katoden. Elektroner som tar den korta vägen genom elektrolyten - en kortslutning - gör att elektrolyten bryts ner och batteriet laddas ur snabbt.
"Det som inte är klart är exakt varför elektrolyten bryts ner, säger Talin. "Men det som är klart är att vi måste utveckla en ny elektrolyt om vi ska bygga mindre batterier. Det dominerande materialet, LiPON, kommer bara inte att fungera i de tjocklekar som krävs för att göra praktiska uppladdningsbara batterier med hög energidensitet för autonoma MEMS."
