Une "nanoforêt" de batteries lithium-ion à nanofils. Crédit : Oleshko/NIST
(Phys.org) - Dans un cas rare d'avoir leur gâteau et de le manger aussi, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et d'autres institutions ont développé un ensemble d'outils qui leur permet d'explorer l'intérieur complexe de minuscules, batteries multicouches qu'ils ont conçues. Il donne un aperçu des performances des batteries sans les détruire, ce qui en fait à la fois une sonde utile pour les scientifiques et une source d'alimentation potentielle pour les micromachines.
Les batteries lithium-ion microscopiques sont créées en prenant un fil de silicium de quelques micromètres de long et en le recouvrant de couches successives de différents matériaux. Au lieu d'un gâteau, cependant, chaque batterie finie ressemble plus à un petit arbre.
L'analogie devient évidente lorsque vous voyez les batteries attachées par leurs racines à des plaquettes de silicium et regroupées par millions dans des « nanoforêts, " comme l'équipe les surnomme.
Mais ce sont les couches en forme de gâteau qui permettent aux batteries de stocker et de décharger l'électricité, et même être rechargé. Ces talents pourraient les rendre précieux pour alimenter des MEMS autonomes – des machines microélectromécaniques – qui ont des applications potentiellement révolutionnaires dans de nombreux domaines.
Avec autant de couches dont l'épaisseur peut varier, la morphologie et d'autres paramètres, il est crucial de connaître la meilleure façon de construire chaque couche pour améliorer les performances de la batterie, comme l'équipe l'a trouvé dans des recherches précédentes. ** Mais la microscopie électronique à transmission (MET) conventionnelle n'a pas pu fournir tous les détails nécessaires, L'équipe a donc créé une nouvelle technique qui impliquait l'imagerie TEM à balayage multimode (STEM). Avec STIM, les électrons éclairent la batterie, qui les disperse à un large éventail d'angles. Pour voir le plus de détails possible, l'équipe a décidé d'utiliser un ensemble de détecteurs d'électrons pour collecter des électrons dans une large gamme d'angles de diffusion, un arrangement qui leur a donné beaucoup d'informations structurelles pour assembler une image claire de l'intérieur de la batterie, jusqu'au niveau nanométrique.
Une image STEM d'une batterie individuelle. Crédit : Oleshko/NIST
L'ensemble d'outils prometteur des techniques de microscopie électronique a aidé les chercheurs à trouver de meilleures façons de construire les minuscules batteries. « Nous avions beaucoup de choix dans quels matériaux déposer et dans quelles épaisseurs, et beaucoup de théories sur ce qu'il faut faire, ", dit Vladimir Oleshko, membre de l'équipe. "Mais maintenant, à la suite de nos analyses, nous avons la preuve directe de la meilleure approche.
une vue latérale 3D colorisée d'une même batterie montrant le noyau de silicium métallisé et ses couches externes. Crédit : Oleshko/NIST
« Les fabricants de MEMS pourraient utiliser eux-mêmes les batteries, dont un million peut être fabriqué sur un centimètre carré d'une plaquette de silicium. Mais les mêmes fabricants pourraient également bénéficier de l'ensemble d'outils d'analyse de l'équipe. Oleshko fait remarquer que les jeunes, domaine en plein essor de la fabrication additive, qui crée des dispositifs en construisant des matériaux constitutifs couche par couche, a souvent besoin d'analyser ses créations de manière non invasive. Pour ce travail, l'approche de l'équipe pourrait prendre le gâteau.
