(PhysOrg.com) -- Les chercheurs de l'Université Rice ont fait un pas de plus vers la création des microbatteries tridimensionnelles qui se chargeraient plus rapidement et présenteraient d'autres avantages par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles. Ils pourraient alimenter de nouvelles générations de capteurs à distance, écrans d'affichage, carte à puce, électronique flexible et dispositifs biomédicaux.

Les batteries utilisent des réseaux verticaux de nanofils nickel-étain parfaitement enrobés de PMMA, un polymère largement utilisé mieux connu sous le nom de plexiglas. Le laboratoire Rice de Pulickel Ajayan a trouvé un moyen de revêtir de manière fiable des nanofils simples d'une couche lisse d'un électrolyte en gel à base de PMMA qui isole les fils de la contre-électrode tout en laissant passer les ions.

Le travail a été rapporté cette semaine dans l'édition en ligne de la revue Lettres nano .

"Dans une batterie, vous avez deux électrodes séparées par une barrière épaisse, " dit Ajayan, professeur en génie mécanique et science des matériaux et de chimie. "Le défi est de tout rapprocher pour que cette électrochimie devienne beaucoup plus efficace."

Ajayan et son équipe ont le sentiment d'avoir réussi à faire pousser des forêts de nanofils enrobés - des millions sur une puce de la taille d'un ongle - pour des micro-dispositifs évolutifs avec une plus grande surface que les batteries à couche mince conventionnelles. "Vous ne pouvez pas simplement mettre à l'échelle l'épaisseur d'une batterie à couche mince, car la cinétique des ions lithium deviendrait lente, " dit Ajayan.

"Nous voulions comprendre comment les conceptions 3D proposées de batteries peuvent être construites à partir de l'échelle nanométrique, " dit Sanketh Gowda, un étudiant diplômé du laboratoire d'Ajayan. "En augmentant la hauteur des nanofils, nous pouvons augmenter la quantité d'énergie stockée tout en maintenant la distance de diffusion des ions lithium constante."

Les chercheurs, dirigé par Gowda et la chercheuse postdoctorale Arava Leela Mohana Reddy, travaillé pendant plus d'un an pour affiner le processus.

"Être juste, le concept 3-D existe depuis un certain temps, " Reddy a déclaré. "La percée ici est la capacité de mettre une couche conforme de PMMA sur un nanofil sur de longues distances. Même une petite rupture dans le revêtement le détruirait. » Il a déclaré que la même approche est testée sur des systèmes de nanofils avec des capacités plus élevées.

Le processus s'appuie sur les recherches antérieures du laboratoire pour construire des câbles coaxiaux à nanofils qui ont été signalés dans Lettres nano l'année dernière. Dans le nouveau travail, les chercheurs ont développé des nanofils de 10 microns de long par électrodéposition dans les pores d'une matrice d'alumine anodisée. Ils ont ensuite élargi les pores avec une simple technique de gravure chimique et déposé du PMMA sur le réseau pour donner aux nanofils une enveloppe uniforme de haut en bas. Un lavage chimique a enlevé le gabarit.

Ils ont construit des microbatteries d'un centimètre carré qui contiennent plus d'énergie et qui se chargent plus rapidement que les batteries planaires de la même longueur d'électrode. "En passant en 3-D, nous sommes en mesure de fournir plus d'énergie dans la même empreinte, " dit Gowda.

Ils pensent que le revêtement PMMA augmentera le nombre de fois qu'une batterie peut être chargée en stabilisant les conditions entre les nanofils et l'électrolyte liquide, qui ont tendance à se dégrader avec le temps.

L'équipe étudie également comment le cyclisme affecte les nanofils qui, comme les électrodes de silicium, se dilatent et se contractent au fur et à mesure que les ions lithium vont et viennent. Les images au microscope électronique de nanofils prises après de nombreux cycles de charge/décharge n'ont montré aucune rupture dans le boîtier en PMMA, pas même des trous d'épingle. Cela a conduit les chercheurs à croire que le revêtement résiste à l'expansion de volume dans l'électrode, ce qui pourrait augmenter la durée de vie des batteries.