(Phys.org) – I ett sällsynt fall att ha sin kaka och äta den också, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och andra institutioner har utvecklat en verktygsuppsättning som låter dem utforska det komplexa inre av små, flerskiktsbatterier de tagit fram. Det ger insikt i batteriernas prestanda utan att förstöra dem – vilket resulterar i både en användbar sond för forskare och en potentiell strömkälla för mikromaskiner.

De mikroskopiska litiumjonbatterierna skapas genom att ta en silikontråd som är några mikrometer lång och täcka den i på varandra följande lager av olika material. Istället för en tårta, dock, varje färdigt batteri ser mer ut som ett litet träd.

Liknelsen blir uppenbar när du ser batterierna fästa med sina rötter till kiselwafers och samlade i miljontals till "nanoskogar, " som laget dubbar dem.

Men det är de kakliknande lagren som gör att batterierna kan lagra och ladda ur elektricitet, och till och med laddas. Dessa talanger kan göra dem värdefulla för att driva autonoma MEMS – mikroelektromekaniska maskiner – som har potentiellt revolutionerande tillämpningar inom många områden.

Med så många lager som kan variera i tjocklek, morfologi och andra parametrar, det är avgörande att veta det bästa sättet att bygga varje lager för att förbättra batteriets prestanda, som teamet fann i tidigare forskning.** Men konventionell transmissionselektronmikroskopi (TEM) kunde inte ge alla detaljer som behövdes, så laget skapade en ny teknik som involverade multimode scanning TEM (STEM) avbildning. Med STEM, elektroner lyser upp batteriet, som sprider dem i ett brett spektrum av vinklar. För att se så mycket detaljer som möjligt, teamet bestämde sig för att använda en uppsättning elektrondetektorer för att samla in elektroner i ett brett spektrum av spridningsvinklar, ett arrangemang som gav dem massor av strukturell information för att få en tydlig bild av batteriets inre, ner till nanoskalanivån.

Den lovande verktygsuppsättningen av elektronmikroskopitekniker hjälpte forskarna att hitta bättre sätt att bygga de små batterierna. "Vi hade många val i vilka material vi skulle deponera och i vilka tjocklekar, och många teorier om vad man ska göra, " säger teammedlemmen Vladimir Oleshko. "Men nu, som ett resultat av våra analyser, vi har direkta bevis på det bästa tillvägagångssättet.

"MEMS-tillverkare skulle kunna använda batterierna själva, varav en miljon kan tillverkas på en kvadratcentimeter av en silikonwafer. Men samma tillverkare kan också dra nytta av teamets analytiska verktygsuppsättning. Oleshko påpekar att de unga, snabbt växande område av additiv tillverkning, som skapar enheter genom att bygga upp komponentmaterial lager för lager, behöver ofta analysera sina skapelser på ett icke-invasivt sätt. För det jobbet, lagets tillvägagångssätt kan ta kakan.