«Эта трехмерная микробатарея обладает исключительной производительностью и масштабируемостью, и мы думаем, что она будет иметь важное значение для многих приложений», — пояснил Пол Браун, профессор материаловедения и инженерии (MatSE) из Иллинойса. «Микромасштабные устройства обычно используют питание вне кристалла из-за трудностей с миниатюризацией технологий хранения энергии. Миниатюрная высокоэнергетическая и мощная встроенная батарея очень желательна для приложений, включая автономные микромасштабные приводы, распределенные беспроводные датчики и передатчики, мониторы, а также портативные и имплантируемые медицинские устройства."
«Из-за сложности трехмерных электродов, как правило, сложно реализовать такие батареи, не говоря уже о возможности интеграции и масштабирования на кристалле.
В этом проекте мы разработали эффективный метод создания высокопроизводительных трехмерных литий-ионных микробатареек с использованием процессов, которые хорошо совместимы с производством микроэлектроники », — заявил Хайлонг Нин, аспирант MatSE и первый автор статьи« Голографическое формирование рисунка. высокопроизводительных встроенных в кристалл литий-ионных микробатареек 3D », опубликованных в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Мы использовали трехмерную голографическую литографию для определения внутренней структуры электродов и двумерную фотолитографию для создания электродов желаемой формы."Нин добавил. «Эта работа объединяет важные концепции изготовления, характеристики и моделирования, показывая, что энергия и мощность микробатареи сильно связаны со структурными параметрами электродов, такими как размер, форма, площадь поверхности, пористость и извилистость. Существенная сила этого нового метода заключается в том, что этими параметрами можно легко управлять во время этапов литографии, что обеспечивает уникальную гибкость для разработки встроенных устройств хранения энергии следующего поколения."
Благодаря технологии трехмерного голографического рисунка, когда несколько оптических лучей интерферируют внутри фоторезиста, создавая желаемую трехмерную структуру, батарея имеет четко определенные, периодически структурированные пористые электроды, которые облегчают быстрый перенос электронов и ионов внутри батареи, предлагая мощность, подобная суперконденсатору.
«Хотя для создания трехмерной голографической литографии требуется точное управление мешающими оптическими лучами, последние достижения значительно упростили требуемую оптику, позволяя создавать структуры с помощью одного падающего луча и стандартной обработки фоторезиста.
Это делает его хорошо масштабируемым и совместимым с микротехнологиями », — заявил профессор MatSE Джон Роджерс, который работал с Брауном и его командой над разработкой технологии.
«Микро-инженерная архитектура батарей в сочетании с высокоэнергетическим материалом, таким как олово, предлагает новые захватывающие характеристики батарей, включая высокую энергоемкость и длительный срок службы, которые обеспечивают возможность питания практических устройств», — заявил Уильям Кинг, профессор механических наук и инжиниринг, являющийся соавтором данной работы.