Мобильные устройства постоянно совершенствуются. Добавляются новые функции, смартфоны и планшеты становятся тоньше, их производительность неуклонно растёт. Но все эти прелести внезапно обрываются, когда ваш телефон вдруг разрядился посреди рабочего дня. Именно на слабые батареи больше всего нарекают современные пользователи.

Поэтому особое внимание привлекла разработка исследователей из Университета Иллинойса. Ученым удалось создать микробатареи, которые по плотности мощности сравнимы с лучшими суперконденсаторами и открывают новые возможности в радиокоммуникациях и компактной электронике. Результаты своей работы исследователи опубликовали в апрельском номере известного журнала Nature Communications (статья High-power lithium ion microbatteries from interdigitated three-dimensional bicontinuous nanoporous electrodes).

Профессор кафедры механических наук и инженерии Вильям Кинг

Как отмечает профессор кафедры механических наук и инженерии Вильям Кинг (William P. King), аккумулятор способен обеспечить гораздо большую мощность, чем кто-либо может себе представить. За последнее десятилетие электронные компоненты существенно уменьшились в размерах. Батареи за ними не поспевают. По мнению Кинга, микротехнологии могут изменить ситуацию.

В современных источниках питания приходится выбирать между мощностью и запасом энергии. Для приложений, которые требуют высокой мощности, например, при передаче радиосигналов на длинные дистанции, используются конденсаторы. Они быстро заряжаются и способны обеспечить большую мощность, но лишь на короткое время. В то же время для приложений, требующих большого запаса энергии, таких как прослушивание музыки на плеере, используются батареи, способные накопить много энергии, но отдают её только малыми порциями, то есть разряжаются довольно медленно. Процесс зарядки также может длиться час и более. Кроме того, одной из главных проблем аккумуляторов являются большие габариты. Поэтому в погоне за уменьшением толщины мобильных устройств производителям приходится жертвовать временем автономной работы.

Процесс формирования микропористых катода и анода

Исследователи утверждают, что им удалось создать микробатареи, которые совмещают лучшие качества конденсаторов и традиционных аккумуляторов. В них используется так называемая пористая трёхмерная микроструктура для анода и катода, что существенно увеличивает их площадь и, соответственно, скорость разряда (выходную мощность) и заряда. Ученые интегрировали эти компоненты особым образом на микроуровне, что позволило добиться интересных свойств. Созданные микробатареи могут питать сенсоры или использоваться для вещания радиосигналов на расстояния в 30 раз длиннее при тех же габаритах, или давать ту же производительность, но обладая в 30 раз меньшими размерами. Что ещё важнее, новое изобретение заряжается в тысячу раз быстрее по сравнению с традиционными технологиями. Из характеристик новых микробатарей стоит выделить плотность мощности до 7,4 мВт/(см2*мкм), что сравнимо с показателями наилучших суперконденсаторов, а также в две тысячи раз превышает показатели других микробатарей.

Сравнение показателей разных технологий, в том числе, и новой разработки

Ученые предлагают представить тонкий современный телефон с габаритами кредитной карточки, который заряжается всего за одну секунду. Новые микробатареи могут использоваться для питания сенсоров, лазеров, потребительской электроники, медицинских устройств и во многих других приложениях. Компактность микробатарей особенно важна для медицинских приложений, например, для питания имплантатов.

Потоки ионов между трёхмерными электродами в новых микробатареях  

В настоящее время ученые работают над интеграцией своих микробатарей с различными электронными компонентами, а также надеются наладить производство по приемлемой цене. Мы тоже надеемся, что это им удастся. Ведь мы уже наслышались немало обещаний от ученых, было представлено множество удивительных разработок, но воз и ныне там.

Источник: 3DNews