Det viser sig, at du kan være for tynd - især hvis du har et nanoskala-batteri.
Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, College Park og Sandia National Laboratories byggede en række nanowire-batterier for at demonstrere, at tykkelsen af elektrolytlaget dramatisk kan påvirke batteriets ydeevne, effektivt sætter en nedre grænse for størrelsen på de små strømkilder. * Resultaterne er vigtige, fordi batteristørrelse og ydeevne er nøglen til udviklingen af autonome MEMS - mikroelektromekaniske maskiner - som har potentielt revolutionerende applikationer i en lang række felter.
Ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop kunne NIST-forskere se individuelle nanosiserede batterier med elektrolytter med forskellige tykkelser opladning og udladning. NIST-teamet opdagede, at der sandsynligvis er en nedre grænse for, hvor tyndt et elektrolytlag kan fremstilles, før det får batteriet til at fungere. Billedkredit: Talin / NIST
MEMS-enheder, der kan være så små som titusinder af mikrometer (det vil sige omtrent en tiendedel af bredden af et menneskehår), er blevet foreslået til mange anvendelser inden for medicin og industriel overvågning, men de har generelt brug for en lille, lang levetid, hurtigopladende batteri til en strømkilde. Nuværende batteriteknologi gør det umuligt at opbygge disse maskiner meget mindre end en millimeter - hvoraf det meste er selve batteriet - hvilket gør enhederne meget ineffektive.
NIST-forsker Alec Talin og hans kolleger skabte en ægte skov af små - ca. 7 mikrometer høje og 800 nanometer brede - faststof-lithiumionbatterier for at se, hvor små de kunne laves med eksisterende materialer og for at teste deres ydeevne.
Startende med silicium-nanotråd, deponerede forskerne lag af metal (til en kontakt), katodemateriale, elektrolyt og anodematerialer med forskellige tykkelser for at danne miniatyrbatterier. De brugte et transmissionselektronmikroskop (TEM) til at observere strømmen af strøm gennem batterierne og se, at materialerne inde i dem skiftede, mens de ladede og udledte.
Holdet fandt, at når tykkelsen på elektrolytfilmen falder til under en tærskel på ca. 200 nanometer, ** kan elektronerne hoppe elektrolytkanten i stedet for at strømme gennem ledningen til enheden og videre til katoden. Elektroner, der tager den korte vej gennem elektrolytten - en kortslutning - får elektrolytten til at gå i stykker og batteriet går hurtigt ud.
”Det, der ikke er klart, er nøjagtigt, hvorfor elektrolytten nedbrydes,” siger Talin. ”Men det, der er klart, er, at vi er nødt til at udvikle en ny elektrolyt, hvis vi skal konstruere mindre batterier. Det dominerende materiale, LiPON, fungerer bare ikke i de nødvendige tykkelser for at fremstille praktiske genopladelige batterier med høj energi-densitet til autonome MEMS. ”
* D. Ruzmetov, V.P. Oleshko, P.M. Haney, H. J. Lezec, K. Karki, K.H. Baloch, A.K. Agrawal, A.V. Davydov, S. Krylyuk, Y. Liu, J. Huang, M. Tanase, J. Cumings og A.A. Tallinn. Elektrolytstabilitet bestemmer skaleringsgrænser for solid-state 3D Li-ion-batterier, Nano Letters 12, 505-511 (2011).
** Repræsenterer gruppens seneste data indsamlet efter offentliggørelse af det citerede papir herover.