Las baterías pueden parecer que vienen en todas las formas y tamaños que puedas imaginar. Pero a medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más pequeños y más delgados sin reducir sus demandas de potencia y energía, desafían a los ingenieros a diseñar baterías que puedan caber en espacios cada vez más pequeños sin comprometeren rendimiento Los investigadores en los Estados Unidos han utilizado técnicas no tradicionales para diseñar una posible solución: una potente batería de iones de litio 3D con una huella del orden de cien granos de sal. Su trabajo aparece el 3 de mayo en la revista julio .
"Para sensores pequeños, debe rediseñar la batería para que sea como un rascacielos en Nueva York en lugar de una casa de campo en California", dice el autor principal Bruce Dunn, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California, Los Ángeles UCLA. "Eso es lo que hace una batería 3D, y podemos usar el procesamiento de semiconductores y un electrolito conforme para hacer uno que sea compatible con las demandas de los pequeños dispositivos conectados a Internet".
Incluso las baterías bidimensionales más innovadoras están limitadas en las formas que pueden tomar: la batería básica toma una rodaja de ánodo y una rodaja de cátodo y empaqueta un electrolito conductor de iones entre las dos para completar el circuito.Por otro lado, en principio hay innumerables formas de fabricar un ánodo 3D y un cátodo 3D que se unen como piezas de rompecabezas todavía necesariamente separados por una pequeña cantidad de electrolito. La configuración elegida por el grupo de Dunn se llama "tubo concéntrico"diseño, donde una serie de postes de ánodo espaciados uniformemente están cubiertos uniformemente por una capa delgada de un electrolito polimérico fotopaternizable y la región entre los postes se llena con el material del cátodo.
A pesar de esta aparente simplicidad, muchos investigadores solo han podido construir la mitad de una batería 3D, creando ánodos y cátodos que son estables por sí mismos, pero fallan al intentar ensamblar estos electrodos en una batería funcional. Mientras tanto, casi todoslas baterías 3D que se han ensamblado no han sido significativamente mejores que las versiones bidimensionales ordinarias. Dunn y los estudiosos posdoctorales, Janet Hur y Leland Smith, superaron estos obstáculos al tomar métodos que normalmente se usan para fabricar semiconductores y modificarlos para tallar el silicio en una cuadrículade cilindros espaciados con precisión que querían para el ánodo. "Eso es algo que el mundo de las baterías simplemente no hace", dice Dunn.
Para completar la batería, aplicaron capas delgadas de electrolito a la estructura de silicio y vertieron en un material de cátodo de iones de litio estándar, utilizando el ánodo como molde para garantizar que las dos mitades encajen perfectamente. La batería resultante se logróuna densidad de energía de 5.2 milivatios-hora por centímetro cuadrado, entre las más altas reportadas para una batería 3D, mientras ocupa una minúscula huella de 0.09 centímetros cuadrados y soporta 100 ciclos de carga y descarga.
Dunn advierte que esta batería 3D en particular aún no ha alcanzado su máximo potencial, ya que espera que él y su equipo puedan aumentar su densidad de energía con un mayor ajuste de los componentes y el ensamblaje de la batería. "Otro desafío con las baterías es siempre el embalaje".agrega: "Debe sellarlos, mantenerlos pequeños y asegurarse de que funcionen tan bien en el mundo real como en la guantera".
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Materiales proporcionados por prensa celular . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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