Исследователи из Технического университета Хемница (TU Chemnitz) в Германии создали микробатареи для будущих смарт-устройств размером с пылинки, использовав электродную суспензию и механизм самосборки полимерной пластины в форму «рулета». Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
«Умная пыль» – это концепция сетевого будущего Интернета вещей (IoT), в котором интеллектуальные сети из триллионов крошечных датчиков постоянно анализируют все процессы, происходящие в окружающей их среде, а также общаются друг с другом и обмениваются информацией. Одной из проблем реализации концепций «умной пыли», а также нано- и микроробототехники в целом является отсутствие столь же малых встроенных источников питания для обеспечения работы подобных устройств в любое время и в любом месте.
Одним из решений могут быть системы преобразования энергии, собирающие внешнюю энергию, такие как микротермоэлектрические или трибоэлектрические наногенераторы или встроенные фотогальваники. Однако эти системы, как правило, ограничены определенными рамками местоположения и времени работы.
Другим решением представляется снабдить «пылевой чип» встроенным накопителем энергии, т. е. батареей. Исследователи уже не раз продемонстрировали, что микробатареи размером меньше крупицы соли могут производиться в больших количествах на поверхности пластины и подходят для питания смарт-устройств размером с пылинки.
«Существующие ограничения в производственных технологиях означают, что микробатареи на кристалле не могут одновременно обеспечивать высокую плотность энергии и малую занимаемую площадь. В отличие от этого, наиболее успешной показала себя конструкция аккумуляторов, способная включать множество слоев электродного материала в ограниченный объем. Например, Tesla использует батареи в форме так называемых «цилиндрических рулетов» для своих электромобилей», – отметил доктор Миншен Чжу из исследовательской группы профессора Оливера Г. Шмидта в TU Chemnitz.
Однако цилиндрические батареи Tesla имеют диаметр 1,8 см – слишком большой для интеграции с микромасштабными системами. Доступных технологий для реализации подобных батарей диаметром в сотни микрометров не существовало, вплоть до настоящего времени.
В своей новой работе Чжу и его коллеги из Технического университета Хемница сообщили о создании «свернутой в рулет» микробатареи, используя процесс самосборки такой конструкции, известный как «микро-оригами». В этом процессе плоская стопка рабочих слоев, состоящая из ненабухающей полиимидной пленки и набухающего слоя гидрогеля, наматывается на токосъемник с тонким металлическим слоем.
Механизм самосборки позволяет за один проход параллельно изготавливать несколько рулонов-основ для микробатарей. Каждый такой рулон имеет длину 3 мм и диаметр около 178 мкм.
Что касается плотности энергии подобных микробатарей, ранее ее ограничивал выбор материалов электродов, которые в основном получают с помощью инструментов для осаждения. В то же время так называемые электродные суспензии, содержащие материалы с высокой емкостью, связующие и проводящие добавки, могут обеспечивать хорошую стабильность, высокую проводимость и отличное накопление энергии, и поэтому широко используются, но пока что это делалось только для энергоемких громоздких аккумуляторов.
Другая проблема с обычными электродными суспензиями заключается в том, что они требуют длительных периодов сушки (более 10 часов) при температуре выше 120 °C и в вакууме, что нередко приводит к разрушению микроструктуры слоев микроматериала.
Исследовательская группа из TU Chemnitz решила эту проблему, создав быстросохнущую (1 час) электродную суспензию, диспергируя нанопроволоки MnO2 в цинкофильном связующем (полиимиде). Полиимид образует активную границу раздела электрод-электролит, улучшающую переносимость ионов цинка и предотвращающую растворение MnO2.
В паре с цинковой проволокой длиной 250 мкм площадь электрода встроенной микробатареи исследователей TU Chemnitz достигает субмиллиметрового режима (~0,75 кв. мм). Потребляемая мощность достигает 3,3 мА·ч/кв.см.
Миншен Чжу отмечает, что в тестах оказались достижимы 150 стабильных циклов с мощностью более 1 мА·ч/кв.см. По его словам, «на сегодняшний день эта производительность превосходит все прежние микробатарейки с площадью поверхности электрода менее 10 кв.мм».
Новая технология создания микробатарей от TU Chemnitz, дополняет Чжу, «совместима как с процессами на кристалле (литография, травление и т. д.), так и с протоколами изготовления аккумуляторов (синтез высокоэффективных электродных материалов, изготовление электродных суспензий и равномерное покрытие на кристалле) и токосъемников».