Голографія допомогла створити мініатюрну 3D-батарейку

Вчені з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні в США створили 3D-батарею розміром 2 ст.12 міліметри, ємності якої достатньо, щоб живити невелику мікросхему. Новий пристрій було вироблено за допомогою методів 3D-голографічної літографії та фотолітографії. Робота опублікована в.

Для роботи всіх електронних пристроїв необхідні джерела живлення, які часто займають досить великий обсяг. Це накладає ряд обмежень на дизайн і потенційну сферу застосування таких пристроїв. Для вирішення цієї проблеми робляться спроби створити елементи живлення, що мають значну ємність при мініатюрних розмірах.

Один з напрямків - тонкі батареї, що складаються з двох плоских електродів і обсягу електроліту між ними. Вони займають невеликий обсяг, але велику площу. Для оптимізації розмірів пристрою вчені прагнуть знайти оптимальний баланс між товщиною і площею. У разі плоских електродів такий підхід не дає хороших результатів через обмежену рухливість іонів при збільшенні товщини батареї.

Для вирішення цієї проблеми вчені в новій роботі створили «3D-батареї», в яких всередині електродів створена розвинена система порожнин і пір, що збільшує ефективну поверхню електродів і частково знімає обмеження на рухливість всередині них.

Для створення цього пристрою автори користувалися методом 3D-голографічної літографії. Він дозволяє за допомогою декількох лазерних променів витравлювати строго певні ділянки з матеріалу, створюючи таким чином впорядковані тривимірні структури - пористі електроди.

Для їх оптимального розташування на самій батареї застосовувалася стандартна фотолітографія, яка також за допомогою лазерного променя дозволяє надавати матеріалу необхідну двомірну форму.

Як матеріали анодів автори використовували NiSn, а для катодів - LiMnO₂. Отримані пристрої досягали пікової потужності 3600 мікроват на квадратний сантиметр при мікронній товщині. Для тесту такої батареї в умовах реального мікрочіпа вчені зібрали простий ланцюг з червоним світлодіодом. Ємності їх елемента вистачало, щоб тримати світлодіод запаленим протягом 10 секунд, а після 200 циклів перезарядки батарея зберігала 88% початкової ємності.

Подібні елементи живлення можуть знайти застосування для створення невеликих бездротових сенсорів, медичних імплантів або електромеханічних актуаторів - мініатюрних приводів, які можуть використовуватися, наприклад, у робототехніці.