10 000 батарей на 2-дюймовой кремниевой пластине: зачем нужны такие мелкие аккумуляторы

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали микроскопические батареи на основе цинка, способные доставлять высокую энергию в объемах всего два пиколитра каждая. О новинке рассказало СМИ Interesting Engineering.

Ученые из одной 2-дюймовой кремниевой пластины смогли создать 10 000 микробатарей, энергии которых будет достаточно для питания крошечных датчиков и деталей роботов.

Устройство использует кислород из воздуха или раствора для запуска реакции окисления цинка, достигая плотности энергии от 760 до 1070 ватт-часов на литр в батареях шириной менее 100 микрометров и толщиной 2 микрометра. Исследователи полагают, что этот подход может способствовать уменьшению масштабов систем хранения энергии в миниатюрных ячейках.

Команда разработала крошечную батарею из цинка, платины и SU-8, используя процесс, называемый фотолитографией, который позволил им создать устройство с очень высокой плотностью энергии в пиколитре (10⁻¹² литра). Метод фотолитографии эффективен и позволяет исследователям производить 10 000 таких батарей на одной пластине.

По словам ученых, каждая батарея имеет объем всего 2 пиколитра и может производить напряжение около 1,05 вольт с общей энергией от 5,5 до 7,7 микроджоулей и максимальной мощностью около 2,7 нановатт. Испытания показали, что эти энергохранилища могут питать очень маленькие устройства, такие как мемристорная схема микрометрового размера, которая полезна для энергонезависимой памяти.

Исследователи также использовали батареи для питания микромасштабных приводов, которые изгибаются вперед и назад со скоростью 0,05 герца, что полезно для движения роботов. Кроме того, они питали два разных типа наносенсоров и тактовую схему.

Коллоидные батареи предназначены для использования в больших резервуарах с электролитом, но в некоторых случаях требуется, чтобы они работали в сухой среде или без доступных ионных частиц. Чтобы решить эту проблему, исследователи провели два эксперимента для проверки концепции. Сначала они использовали микроструйный принтер, чтобы нанести на батареи 500 пиколитров ионного жидкого электролита, что привело к снижению напряжения из-за более высокой вязкости и меньшей проводимости. В итоге они доставляли энергию 0,82 микроджоуля при силе тока 0,1 мА/см2. Во втором эксперименте на батарею нанесли 20 пиколитров соли. При погружении в деионизированную воду она выделяла соль, производя от 0,6 до 1,2 микроджоулей энергии. По мнению исследователей, эти эксперименты показывают, что Zn-воздушные батареи могут функционировать в различных средах даже без большого запаса электролита.

Благодаря высокой плотности энергии, небольшому размеру и простой конструкции эти пиколитровые воздушно-цинковые батареи перспективны для массового производства и использования в крошечных роботах, которые функционируют независимо.