A l'aide d'un microscope électronique à transmission, Les chercheurs du NIST ont pu observer des batteries individuelles nanométriques avec des électrolytes de différentes épaisseurs se charger et se décharger. L'équipe du NIST a découvert qu'il existe probablement une limite inférieure à la minceur d'une couche d'électrolyte avant qu'elle ne provoque un dysfonctionnement de la batterie. Crédit :Talin/NIST
(PhysOrg.com) -- Il s'avère que vous pouvez être trop mince, surtout si vous utilisez une batterie nanométrique. Chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie, l'Université du Maryland, Parc du Collège, et Sandia National Laboratories ont construit une série de batteries à nanofils pour démontrer que l'épaisseur de la couche d'électrolyte peut considérablement affecter les performances de la batterie, fixant efficacement une limite inférieure à la taille des minuscules sources d'alimentation. Les résultats sont importants car la taille et les performances de la batterie sont essentielles au développement de MEMS autonomes (machines microélectromécaniques) qui ont des applications potentiellement révolutionnaires dans un large éventail de domaines.
appareils MEMS, qui peut être aussi petit que des dizaines de micromètres (c'est-à-dire, environ un dixième de la largeur d'un cheveu humain), ont été proposées pour de nombreuses applications en médecine et en surveillance industrielle, mais ils ont généralement besoin d'un petit longue durée de vie, batterie à charge rapide pour une source d'alimentation. La technologie actuelle des batteries rend impossible la construction de ces machines beaucoup plus petites qu'un millimètre, dont la plupart est la batterie elle-même, ce qui rend les appareils terriblement inefficaces.
Le chercheur du NIST Alec Talin et ses collègues ont créé une véritable forêt de minuscules batteries lithium-ion à semi-conducteurs d'environ 7 micromètres de haut et 800 nanomètres de large pour voir à quel point elles pourraient être petites avec des matériaux existants et pour tester leurs performances.
A commencer par les nanofils de silicium, les chercheurs ont déposé des couches de métal (pour un contact), matériau cathodique, électrolyte, et des matériaux d'anode avec diverses épaisseurs pour former les batteries miniatures. Ils ont utilisé un microscope électronique à transmission (MET) pour observer le flux de courant dans les batteries et voir les matériaux à l'intérieur changer au fur et à mesure qu'ils se chargent et se déchargent.
L'équipe a découvert que lorsque l'épaisseur du film d'électrolyte tombe en dessous d'un seuil d'environ 200 nanomètres, les électrons peuvent sauter la frontière de l'électrolyte au lieu de traverser le fil jusqu'à l'appareil et jusqu'à la cathode. Les électrons empruntant le court chemin à travers l'électrolyte (un court-circuit) provoquent la décomposition de l'électrolyte et la décharge rapide de la batterie.
"Ce qui n'est pas clair, c'est exactement pourquoi l'électrolyte se décompose, ", dit Talin. « Mais ce qui est clair, c'est que nous devons développer un nouvel électrolyte si nous voulons construire des batteries plus petites. Le matériau prédominant, LiPON, ne fonctionnera tout simplement pas aux épaisseurs nécessaires pour fabriquer des batteries rechargeables à haute densité d'énergie pratiques pour les MEMS autonomes.
