Le batterie potrebbero sembrare disponibili in ogni forma e dimensione che puoi immaginare. Ma poiché i dispositivi elettronici diventano sempre più piccoli e sottili senza ridurre le loro richieste di potenza ed energia, sfidano gli ingegneri a progettare batterie che possano essere inserite in spazi sempre più piccoli senza compromettere le prestazioni. I ricercatori negli Stati Uniti hanno utilizzato tecniche non tradizionali per creare una possibile soluzione:una potente batteria agli ioni di litio 3D con un ingombro dell'ordine di cento granelli di sale. Il loro lavoro appare il 3 maggio sulla rivista Joule .

"Per i piccoli sensori, devi riprogettare la batteria in modo che sia come un grattacielo a New York invece di un ranch in California, ", afferma l'autore senior Bruce Dunn, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della California, Los Angeles (UCLA). "Questo è ciò che fa una batteria 3D, e possiamo utilizzare l'elaborazione dei semiconduttori e un elettrolita conforme per realizzarne uno compatibile con le esigenze dei piccoli dispositivi connessi a Internet".

Anche le batterie bidimensionali più innovative sono limitate nelle forme che possono assumere:la batteria di base prende una fetta di anodo e una fetta di catodo e racchiude un elettrolita conduttore di ioni tra le due per completare il circuito. D'altra parte, ci sono in linea di principio innumerevoli modi per creare un anodo 3D e un catodo 3D che si incastrano come pezzi di un puzzle (ancora necessariamente separati da una piccola quantità di elettrolita). La configurazione scelta dal gruppo di Dunn è denominata design a "tubo concentrico", dove una serie di perni anodici uniformemente distanziati è ricoperta uniformemente da uno strato sottile di un elettrolita polimerico fotomodellabile e la regione tra i perni è riempita con il materiale del catodo.

Nonostante questa apparente semplicità, molti ricercatori sono stati in grado di costruire solo metà di una batteria 3D, creando anodi e catodi stabili da soli, ma fallisce quando si tenta di assemblare questi elettrodi in un'unica batteria funzionante. Nel frattempo, quasi tutte le batterie 3D che sono state assemblate non sono state significativamente migliori delle normali versioni bidimensionali. Dunn e studiosi post-dottorato, Janet Hur e Leland Smith, hanno superato questi ostacoli adottando metodi normalmente utilizzati per realizzare semiconduttori e modificandoli per intagliare il silicio in una griglia di cilindri distanziati con precisione che volevano per l'anodo. "Questo è qualcosa che il mondo delle batterie non fa, "Dunno dice.

Per completare la batteria, hanno applicato sottili strati di elettrolita alla struttura del silicio e hanno versato un materiale standard per catodo agli ioni di litio, usando l'anodo come stampo per garantire che le due metà si incastrino perfettamente. La batteria risultante ha raggiunto una densità energetica di 5,2 milliwattora per centimetro quadrato, tra i più alti segnalati per una batteria 3D, occupando un minuscolo ingombro di 0,09 centimetri quadrati e resistendo a 100 cicli di carica e scarica.

Dunn avverte che questa particolare batteria 3D non ha ancora raggiunto il suo pieno potenziale, poiché spera che lui e il suo team possano aumentare la sua densità energetica con un'ulteriore messa a punto dei componenti e dell'assemblaggio della batteria. "Un'altra sfida con le batterie è sempre la confezione, " aggiunge. "Devi sigillarli, tienili piccoli, e assicurati che funzionino altrettanto bene nel mondo reale come nel vano portaoggetti."