Микробатареи обладают невероятным потенциалом для питания микроустройств, микророботов и имплантируемых медицинских устройств. Однако до недавнего времени они были не очень эффективны из-за нехватки мощности.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне создали высоковольтную микробатарею, не имеющую аналогов среди существующих батарей .
Раскрытие потенциала небольших устройств
«Нам нужны мощные крошечные батареи, чтобы раскрыть весь потенциал микромасштабных устройств за счет улучшения архитектуры электродов и разработки инновационных конструкций батарей», — пояснил профессор материаловедения и инженерии Пол Браун (заслуженный профессор Grainger в области инженерии, директор лаборатории исследования материалов).
Одна из проблем, которую пришлось решить исследователям, заключалась в том, что по мере того, как батареи становятся меньше, упаковка доминирует над объемом и массой батареи, а площадь электрода становится меньше, что приводит к значительному снижению энергии и мощности.
Чтобы решить эту проблему, команда разработала новую технологию упаковки, в которой токосъемники положительных и отрицательных выводов использовались как часть самой упаковки.
В результате появились маленькие микробатарейки, которые по-прежнему выдавали высокое рабочее напряжение.
«На сегодняшний день архитектура электродов и конструкции ячеек в микро-наномасштабе были ограничены конструкциями с высокой плотностью мощности, которые были достигнуты за счет пористости и объемной плотности энергии. Наша работа была успешной по созданию микромасштабного источника энергии, который демонстрирует как высокую плотность мощности, так и объемную плотность энергии», — сказал Аргья Патра (аспирант, MatSE, MRL, соавтор).
Развитие устраняет разрыв
Исследователи отмечают, что разработка объединяет множество секторов и отраслей.
«Наша работа устраняет пробелы в знаниях на стыке химии материалов, уникальных требований к производству материалов для конфигураций энергоемких планарных микробатарей и прикладной нано-микроэлектроники, для которой требуется высоковольтный источник питания бортового типа для привода микроприводов и микродвигателей. — добавил доктор Сунгбонг Ким (постдоктор, MatSE, в настоящее время доцент Корейской военной академии, соавтор).
С точки зрения приложений, одним из важнейших может быть питание микророботов размером с насекомое для получения ценной информации во время стихийных бедствий, поисково-спасательных операций и в опасных условиях, где прямой доступ человека невозможен.
Соавтор Джеймс Пикул (доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Пенсильванского университета) отметил, что «высокое напряжение важно для уменьшения электронной полезной нагрузки, которую должен нести микроробот».
«Это означает, что эти батареи обеспечивают улучшения на уровне системы, помимо повышения плотности энергии, так что маленькие роботы могут путешествовать дальше или отправлять более важную информацию людям-операторам», — заключил Пикуль.
Батарейки размером с «умную пыль»
Исследователи долгое время работали над микробатареями и добились успеха с устройствами, прежде чем создать батареи, достаточно маленькие, чтобы их можно было использовать в качестве «умной пыли».
В августе 2022 года группа исследователей из Хемницкого технологического университета в Германии разработала микробатареи размером с рисовое зерно. Они заявили, что их изобретение может быть использовано в будущем для питания передовых приложений IoT (Интернета вещей), таких как интеллектуальные микродатчики и вычислительные устройства миллиметрового масштаба, с помощью того, что они назвали «умной пылью», высокоразвитой версии IoT.
Этот тип «пыли» будет состоять из микро- и наноразмерных устройств, которые будут распределены повсюду, включая города, фабрики и леса. Они будут служить для отслеживания различных изменений, происходящих вокруг нас, в режиме реального времени.
Исследование было впервые опубликовано в Cell Reports Physical Science .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com