10 000 батарей на 2-дюймовій кремнієвій пластині: навіщо потрібні такі дрібні акумулятори

Пристрій використовує кисень із повітря або розчину для запуску реакції окислення цинку, досягаючи щільності енергії від 760 до 1070 ват-годин на літр.

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) створили мікроскопічні батареї на основі цинку, здатні доставляти високу енергію в обсягах лише два піколітри кожна. Про новинку розповіло ЗМІ Interesting Engineering.

Вчені з однієї 2-дюймової кремнієвої пластини змогли створити 10 000 мікробатарей, енергії яких буде достатньо для живлення крихітних датчиків і деталей роботів.

Пристрій використовує кисень із повітря або розчину для запуску реакції окислення цинку, досягаючи щільності енергії від 760 до 1070 ват-годин на літр у батареях завширшки менш ніж 100 мікрометрів і завтовшки 2 мікрометри. Дослідники вважають, що цей підхід може сприяти зменшенню масштабів систем зберігання енергії в мініатюрних комірках.

Команда розробила крихітну батарею з цинку, платини і SU-8, використовуючи процес, званий фотолітографією, який дав їм змогу створити пристрій з дуже високою щільністю енергії в піколітрі (10-¹² літра). Метод фотолітографії ефективний і дозволяє дослідникам виробляти 10 000 таких батарей на одній пластині.

За словами вчених, кожна батарея має об'єм лише 2 піколітри і може виробляти напругу близько 1,05 вольт із загальною енергією від 5,5 до 7,7 мікроджоулів і максимальною потужністю близько 2,7 нановат. Випробування показали, що ці енергосховища можуть живити дуже маленькі пристрої, як-от мемристорна схема мікрометрового розміру, яка корисна для енергонезалежної пам'яті.

Дослідники також використовували батареї для живлення мікромасштабних приводів, які згинаються вперед і назад зі швидкістю 0,05 герца, що корисно для руху роботів. Крім того, вони живили два різні типи наносенсорів і тактову схему.

Колоїдні батареї призначені для використання у великих резервуарах з електролітом, але в деяких випадках потрібно, щоб вони працювали в сухому середовищі або без доступних іонних частинок. Щоб вирішити цю проблему, дослідники провели два експерименти для перевірки концепції. Спочатку вони використовували мікроструменевий принтер, щоб нанести на батареї 500 піколітрів іонного рідкого електроліту, що призвело до зниження напруги через більш високу в'язкість і меншу провідність. У підсумку вони доставляли енергію 0,82 мікроджоуля за сили струму 0,1 мА/см2. У другому експерименті на батарею нанесли 20 піколітрів солі. Під час занурення в деіонізовану воду вона виділяла сіль, виробляючи від 0,6 до 1,2 мікроджоулів енергії. На думку дослідників, ці експерименти показують, що Zn-повітряні батареї можуть функціонувати в різних середовищах навіть без великого запасу електроліту.

Завдяки високій щільності енергії, невеликому розміру і простій конструкції ці піколітрові повітряно-цинкові батареї перспективні для масового виробництва і використання в крихітних роботах, які функціонують незалежно.