Des ingénieurs de l'Université du Maryland ont créé une batterie mince, fait de quelques millions de "microbatteries" soigneusement construites dans un pouce carré. Chaque microbatterie a la forme d'un très grand, salle ronde, fournissant une grande surface - comme l'espace mural - sur laquelle des couches de batterie nano-fines sont assemblées. Les couches minces ainsi que la grande surface produisent une puissance très élevée ainsi qu'une énergie élevée. Elle est surnommée une "batterie 3-D" car chaque microbatterie a une forme distinctement 3-D.

Ces batteries 3-D poussent les batteries planaires à semi-conducteurs à couche mince conventionnelles dans une troisième dimension. Les batteries planaires sont un empilement unique de couches plates jouant le rôle d'anode, électrolyte, cathode et collecteurs de courant.

Mais pour faire les batteries 3-D, les chercheurs ont percé des trous étroits sont formés dans du silicium, pas plus large qu'un brin de soie d'araignée mais plusieurs fois plus profond. Les matériaux de la batterie ont été enduits sur les parois intérieures des trous profonds. La surface de paroi accrue des microbatteries 3-D fournit une énergie accrue, tandis que la minceur des couches augmente considérablement la puissance qui peut être délivrée. Le processus est un peu plus compliqué et coûteux que son homologue plat, mais conduit à plus d'énergie et de puissance plus élevée dans la même empreinte.

Depuis plus d'une décennie, les chercheurs sur les batteries connaissent les avantages en termes de puissance et d'énergie d'une conception de batterie en 3D, mais la fabrication et les tests ont échoué jusqu'au récent succès de l'équipe Maryland NEES. C'est parce qu'ils ont pensé à utiliser une technique appelée dépôt de couche atomique, dans lequel chaque couche n'a que quelques atomes d'épaisseur. Chaque matière, pour chaque partie de la batterie, est chauffé jusqu'à ce que les atomes créent une fine brume qui se dépose sur la forme, s'attachant étroitement et en une fine couche mince. Construire les batteries de cette façon garantissait que chaque couche était conforme aux côtés du trou, sans taches ni espaces non couchés.

Cet article montre une "preuve de concept définitive que la densité d'énergie et la densité de puissance augmentent en fonction de l'augmentation de la surface, " a déclaré Keith Gregorczyk, chercheur adjoint à l'Université du Maryland, et un membre de l'équipe qui a réalisé les microbatteries 3-D.

"Un énorme avantage de cette batterie est qu'elle est à semi-conducteurs, ce qui signifie qu'il ne contient pas de liquides inflammables pour s'enflammer comme peuvent le faire les batteries au lithium conventionnelles, " dit Gary Rubloff, l'investigateur principal de l'étude. "Et parce qu'il est fabriqué en utilisant les mêmes procédés de fabrication que ceux des puces semi-conductrices, il peut être intégré directement dans une variété d'appareils, des moniteurs de santé et des téléphones portables à de nombreuses autres applications."

Rubloff est directeur des nanostructures pour le stockage de l'énergie électrique (NEES), une subvention du Centre de recherche Energy Frontier de 25,2 millions de dollars parrainée par le DOE. Rubloff est également le directeur fondateur du Maryland NanoCenter et un professeur d'université distingué avec des nominations au département de science et d'ingénierie des matériaux, l'Institut de recherche sur les systèmes, et l'Institut de recherche en électronique et en physique appliquée.

Une description et une analyse de la batterie à l'état solide 3-D et de son potentiel sont parues dans la revue ACS Nano le 24 avril, 2018.