Постоянная миниатюризация электроники требует постоянного усовершенствования устройств, обеспечивающих ее энергией. Новый проект ученых из Технологического университета Хемница вывел эту технологию на новый, миниатюрный уровень. Используя процесс самосборки, вдохновленный швейцарским рулетом, исследователи создали самую маленькую в мире батарею, которая, по их словам, может найти применение в питании небольших датчиков в человеческом теле, помимо большого ряда других задач.
Профессор Оливер Г. Шмидт держит гибкий чип, который может быть оснащен множеством крошечных батарей, вдохновленных пирожными, вместе с членом команды доктором Миншеном Жу. Якоб Мюллер
Новаторское решение для хранения энергии было создано с помощью так называемого процесса " швейцарского рулета", вдохновленного бисквитными тортами цилиндрической формы с толстым слоем джема внутри. Но вместо сахара и муки ученые нанесли на поверхность натянутой пластины токоприемники и электродные полоски из полимерных, металлических и диэлектрических материалов.
При отслаивании отдельных слоев напряжение ослабевало, и материалы возвращались в исходное положение, закручиваясь друг вокруг друга и принимая архитектуру швейцарского рулета, что позволило создать "самонаматывающуюся цилиндрическую микробатарею". Это устройство размером пылинку имеет площадь менее одного квадратного миллиметра в поперечнике и минимальную плотность энергии 100 микроватт-часов на квадратный сантиметр.
Ученые создали самую маленькую в мире батарейку, размером меньше крупинки соли. ТУ Хемниц/Лейбниц IFW Дрезден
По словам исследователей, эти качества делают батарейку пригодной для возможной интеграции в крошечные чипы с электрическими цепями, которые могут принять форму биосовместимых датчиков в человеческом теле. Такие типы устройств могут быть использованы для самых разных целей - от отслеживания уровня кислорода в глубоких тканях и мониторинга восстановления после операций до наблюдения за жизненно важными органами.
Большинство датчиков такого типа используют для выработки электроэнергии специальные методы, например, превращение механических колебаний в энергию или улавливание тепла для той же цели. Но это работает не во всех сценариях, как, например, внутри человеческого тела. Ученые считают, что их тип перезаряжаемой микробатареи, которая, по их словам, может питать самые маленькие в мире компьютерные чипы в течение примерно 10 часов, является решением этой проблемы. Среди других возможных применений - роботизированные системы и сверхгибкая электроника.
Встроенная батарейка в форме швейцарского рулета на чипе, созданная по технологии микро-оригами. a,b) Схематические изображения слоистых тонких пленок и швейцарского рулета на чипе. c) Зависимость емкости от длины рулета. d) Оптическое изображение массива батарейки в форме Swiss-roll. e) Сканирующее электронное микроскопическое изображение поперечного сечения Zn анода в батарейке Swiss-roll. f) Профили заряда/разряда при различных плотностях тока.
"У этой технологии есть огромный потенциал для совершенствования, и в будущем мы можем ожидать появления гораздо более мощных микробатарей", - сказал профессор Оливер Шмидт, возглавлявший исследование.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
Источники: Хемницкий технологический университет через AlphaGalileo
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103641
https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/218009?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/218009
