Nowa trójwymiarowa konstrukcja pokładowych akumulatorów o dużej mocy
Współczesny przemysł elektroniczny cechują coraz mniejsze i lżejsze urządzenia. Podczas, gdy zmniejszanie rozmiarów komponentów elektronicznych spowodowało powstanie odrębnej dziedziny (mikroelektroniki), brak podobnych, zminiaturyzowanych pokładowych źródeł zasilania hamuje rozwój nowych produktów w wielu dziedzinach. Biorąc pod uwagę rosnącą liczbę mikrosystemów elektromechanicznych (MEMS) pojawiających się w procesie rozwoju, rynek jest przygotowany na szybki rozwój wraz z nadejściem odpowiednich, zminiaturyzowanych źródeł zasilania. Naukowcy zainicjowali dofinansowany ze środków UE projekt SUPERLION (Superior energy and power density Li-ion microbatteries) w celu opracowania rozwiązań dla tego ograniczenia postępu. Nanomateriały cechujące się interesującymi właściwościami funkcjonalnymi związanymi z ich bardzo małą skalą oferują nowe zasoby, które należy wykorzystać do rozwiązania tego problemu. Zespół projektu SUPERLION zajmował się badaniami dotyczącymi syntezy i stworzenia nowych, nanostrukturalnych materiałów akumulatora i komponentów mikroakumulatora. Ponadto naukowcy zastosowali podobne techniki w celu poprawy wydajności konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion). Dwuwymiarowa konstrukcja laminatu w większości konwencjonalnych akumulatorów wymusza kompromis pomiędzy gęstością energii i gęstością mocy. Techniki wytwarzania mikro- i nanomateriałów pozwalają rozszerzyć urządzenia cienkowarstwowe do trzech wymiarów, co pozwala na uzyskanie krótkich dróg dyfuzji i dużej powierzchni, dzięki czemu można zapewnić jednocześnie dużą gęstość energii i mocy. Potencjał trójwymiarowych mikroakumulatorów dotyczący gęstości energii dla powierzchni styku jest o rząd wielkości większy niż w przypadku porównywalnych płaskich akumulatorów cienkowarstwowych 2D. Stworzenie trójwymiarowej architektury akumulatorów wiąże się z utworzeniem cienkiej warstwy ochronnej, która blokuje i przewodzi jony litu. Naukowcy wykorzystali technikę powlekania elektroforetycznego, która doskonale nadaje się do tworzenia cienkowarstwowych elektrolitów polimerowych na mikrostrukturyzowanych powierzchniach. Elektroforetyczne nakładanie elastomerów na bazie diakrylanu poli(glikolu etylenowego) pozwoliło na utworzenie elektrolitów o regulowanym przewodnictwie jonowym. Do oceny wybrano trzy typy ogniw testowych: ogniwo oparte na fosforanie litowo-żelazowym, elastyczne płaskie ogniwo oraz dwa litowe akumulatory guzikowe. Charakterystyki dotyczące gęstości energii i rozmiaru były szczególnie obiecujące. Projekt SUPERLION poczynił poważne postępy w opracowaniu mikroakumulatorów 3D o bezpośrednim wpływie na wiele urządzeń z dziedziny mikroelektroniki, w szczególności układy mikrosensorów, karty identyfikacyjne, rozruszniki/defibrylatory i systemy podawania leków. Optymalizacja wyników powinna ułatwić proces komercjalizacji.
