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Investigadores han creado un proceso de fabricación que construye microbaterías con electrodos 3D gruesos utilizando litografía y electrodeposición. El nuevo prototipo muestra la densidad de potencia máxima más alta de todas las microbaterías actuales.
Las baterías de iones de litio de película delgada que se utilizan en microdispositivos, como la electrónica portátil y médica, pueden suministrar una buena cantidad de energía en relación con su masa, pero no proporcionan suficiente energía para muchos dispositivos debido a su tamaño limitado. Los investigadores han introducido un proceso de fabricación que construye microbaterías con electrodos 3D gruesos utilizando litografía y electrodeposición, y sella cada unidad en un paquete lleno de electrolito en gel. El nuevo prototipo muestra la densidad de potencia máxima más alta de todas las microbaterías creadas hasta ahora.
El nuevo estudio, dirigido por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign investigador postdoctoral Pengcheng Sun y la ciencia de los materiales e ingeniería profesor Paul Braun, se publica en la revista Advanced Materials.
La mayoría de las microbaterías tienen cátodos y ánodos planos y muy delgados, que son excelentes para ahorrar espacio pero no tienen la potencia necesaria para las necesidades de transmisión inalámbrica de las tecnologías actuales, dijeron los investigadores.
"La respuesta podría parecer el usar electrodos más gruesos, que podrían retener más energía en una huella confinada, pero eso solo aumentará la ruta que deben recorrer los iones y electrones, reduciendo la energía", dijo Sun. "El uso de electrodos porosos 3D llenos de electrolito líquido puede acortar esta ruta, pero es extremadamente difícil empaquetar tales microbaterías".
El equipo dijo que hay un estudio anterior, que usó litografía de impresión para construir una microbatería 3D que logró un alto pico de potencia usando un electrolito líquido, pero el rendimiento de ese ejemplo se midió a partir de una batería sin sellar en condiciones de laboratorio.
En el nuevo estudio, el equipo desarrolló un proceso de llenado capilar único que podría llenar el electrolito de gel en los electrodos porosos 3D, haciendo posible el empaque hermético de la microbatería.
"Usar el electrolito en gel más espeso en lugar de un líquido nos da mucho más control", dijo Braun. “La naturaleza gelificada del electrolito nos da más tiempo para sellar la batería sin que se derrame el electrolito. Y, de forma predeterminada, el gel también lo convierte en una batería de iones de litio más segura porque es menos probable que se produzcan fugas, lo que puede ser un problema en las baterías de iones de litio llenas de electrolito líquido".
Las nuevas celdas de batería empaquetadas tienen altas densidades de energía y potencia de 1,24 julios por centímetro cuadrado y 75,5 milivatios por centímetro cuadrado, respectivamente, lo que es aproximadamente diez veces mejor que lo que está disponible actualmente, dijeron los investigadores. Las baterías se pueden ciclar 200 veces en condiciones normales con una retención del 75% de la capacidad de descarga inicial. y utilizando un electrolito líquido, las baterías nuevas proporcionan una densidad de potencia aún mayor de 218 milivatios por centímetro cuadrado, informa el estudio, que muestra el potencial de mejoras adicionales.
“Nuestra microbatería podría proporcionar energía autónoma a microescala durante 132 días”, dijo Sun. "Esto se basa en la suposición razonable de que este tipo de dispositivo consume 5 microvatios en modo de espera y 5 milivatios durante la transmisión de datos, cuando el tiempo de espera es de 100 segundos y el tiempo de transmisión es de 10 milisegundos".
El equipo dijo que las técnicas de fabricación y empaquetado utilizadas en este estudio podrían acelerar el desarrollo de dispositivos de almacenamiento a microescala de estado sólido de alto rendimiento con configuraciones complejas de electrodos 3D.
El Departamento de Defensa de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China apoyaron el estudio.
Braun es el director del Laboratorio de Investigación de Materiales y también está afiliado al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas , el Laboratorio de Micro y Nanotecnología de Holonyak y los departamentos de química y ciencia mecánica e ingeniería en Illinois.
Más información: Pengcheng Sun et al. High‐Performance Packaged 3D Lithium‐Ion Microbatteries Fabricated Using Imprint Lithography, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202006229
Nota original: Lois Yoksoulian, University of Illinois at Urbana-Champaign
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