Le microbatterie agli ioni litio stampate in 3d impiantate direttamente nel microchip

Stampate in 3D delle microbatterie da montare nei chip con un incredibile potenziale

Microbatterie stampate in 3d 02Ogni anno, le dimensioni dei microchip diventano sempre più piccole, mentre le loro prestazioni continuano ad aumentare. Un settore invece in cui i ricercatori hanno cercato di innovare  con scarso successo, è nella produzione di batterie. Le dimensioni delle batterie  non hanno tenuto il passo con la dimensione decrescente degli altri dispositivi elettronici, creando così alcuni problemi imbarazzanti per i produttori elettronici e gli ingegneri.

Tutto questo è destinato a cambiare però, grazie ai ricercatori della University of Illinois a Urbana-Champaign. Il team di ricerca, composto da Hailong Ning, James H. Pikul, Runyu Zhang, Xuejiao Li, Sheng Xu, Wang Junjie, John A. Rogers, William P. King, e Paolo V. Braun ha  scoperto un modo di stampare in 3D delle microbatterie agli ioni di litio che possono effettivamente essere posizionate direttamente su dei piccoli chip.

Il processo è quello che unisce la stereo litografia olografica con la fotolitografia 2D più convenzionale (un processo simile a metodi usati per ottenere circuiti stampati) per creare elettrodi mesostructured. Tutti i dettagli di questa ricerca sono stati pubblicati in un articolo intitolato “Holographic Patterning of High Performance on-chip 3D Lithium-ion Microbatteries,” apparso su  Proceedings of the National Academy of Sciences.

“A causa della complessità degli elettrodi in 3D, è generalmente difficile realizzare tali batterie, per non parlare della possibilità di integrazione on-chip e in scala”, ha spiegato Hailong Ning, uno studente laureato al Matse e primo autore dell’articolo. “In questo progetto, abbiamo sviluppato un metodo efficace per rendere le microbatterie 3D agli ioni di litio ad alte prestazioni che utilizzano processi che sono altamente compatibili con la realizzazione della microelettronica. Abbiamo utilizzato la stereo litografia olografica per definire la struttura interna di elettrodi e fotolitografia in 2D per creare la forma dell’elettrodo desiderata. Questo lavoro unisce concetti importanti nella fabbricazione, nella caratterizzazione e nella modellazione, mostrando che l’energia e la potenza della microbatterie sono fortemente correlati ai parametri strutturali degli elettrodi, come dimensione, forma, superficie, porosità e tortuosità. ”

Per i dispositivi in microscala tradizionali, l’alimentazione viene fornita off-chip a causa delle difficoltà estreme di miniaturizzare la tecnologia di accumulo di energia. Queste batterie, improvvisamente diventano estremamente importanti per le applicazioni che includono sensori in microscala wireless, dispositivi medicali portatili e impiantabili, micro sistemi elettromeccanici autonomi (MEMS)e molte altre applicazioni.

I ricercatori sono riusciti a dimostrare l’uso di queste batterie quando sono  collegate a un LED. Anche se la microbattery nella dimostrazione aveva solo un volume di 0,04 mm cubici e una capacità di appena 0.83μAh, era in grado di alimentare facilmente il LED almeno 200 volte . Piuttosto impressionante per una batteria di queste dimensioni.

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