(PhysOrg.com) -- I ricercatori della Rice University hanno compiuto un passo avanti verso la creazione di solidi, microbatterie tridimensionali che si caricherebbero più velocemente e avrebbero altri vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Potrebbero alimentare nuove generazioni di sensori remoti, schermi di visualizzazione, Smart card, elettronica flessibile e dispositivi biomedici.

Le batterie impiegano array verticali di nanofili di nichel-stagno perfettamente racchiusi in PMMA, un polimero ampiamente utilizzato meglio conosciuto come Plexiglas. Il laboratorio Rice di Pulickel Ajayan ha trovato un modo per rivestire in modo affidabile singoli nanofili con uno strato liscio di un elettrolita gel a base di PMMA che isola i fili dal controelettrodo consentendo il passaggio degli ioni.

Il lavoro è stato riportato questa settimana nell'edizione online della rivista Nano lettere .

"In una batteria, hai due elettrodi separati da una spessa barriera, " ha detto Ajayan, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica. "La sfida è portare tutto nelle immediate vicinanze in modo che questa elettrochimica diventi molto più efficiente".

Ajayan e il suo team ritengono di averlo fatto coltivando foreste di nanofili rivestiti - milioni di loro su un chip delle dimensioni di un'unghia - per microdispositivi scalabili con una superficie maggiore rispetto alle batterie convenzionali a film sottile. "Non puoi semplicemente ridimensionare lo spessore di una batteria a film sottile, perché la cinetica degli ioni di litio diventerebbe lenta, "ha detto Ajayan.

"Volevamo capire come i progetti 3D proposti per le batterie possono essere costruiti dalla nanoscala in su, " disse Sanketh Gowda, uno studente laureato nel laboratorio di Ajayan. "Aumentando l'altezza dei nanofili, possiamo aumentare la quantità di energia immagazzinata mantenendo costante la distanza di diffusione degli ioni di litio".

I ricercatori, guidato da Gowda e dal ricercatore postdottorato Arava Leela Mohana Reddy, ha lavorato per più di un anno per perfezionare il processo.

"Ad essere onesti, il concetto 3D è in circolazione da un po', " Reddy ha detto. "La svolta qui è la capacità di mettere un rivestimento conforme di PMMA su un nanofilo su lunghe distanze. Anche una piccola rottura nel rivestimento lo distruggerebbe." Ha detto che lo stesso approccio è stato testato su sistemi di nanofili con capacità più elevate.

Il processo si basa sulla precedente ricerca del laboratorio per costruire cavi a nanofili coassiali che è stata segnalata in Nano lettere l'anno scorso. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno coltivato nanofili lunghi 10 micron tramite elettrodeposizione nei pori di un modello di allumina anodizzata. Hanno quindi allargato i pori con una semplice tecnica di incisione chimica e PMMA rivestito a goccia sull'array per dare ai nanofili un involucro uniforme dall'alto verso il basso. Un lavaggio chimico ha rimosso il modello.

Hanno costruito microbatterie quadrate di un centimetro che trattengono più energia e si caricano più velocemente delle batterie planari della stessa lunghezza dell'elettrodo. "Andando in 3-D, siamo in grado di fornire più energia con lo stesso ingombro, " disse Gowda.

Ritengono che il rivestimento in PMMA aumenterà il numero di volte in cui una batteria può essere caricata stabilizzando le condizioni tra i nanofili e l'elettrolita liquido, che tendono a rompersi nel tempo.

Il team sta anche studiando come il ciclismo influenzi i nanofili che, come elettrodi di silicio, si espandono e si contraggono mentre gli ioni di litio vanno e vengono. Le immagini al microscopio elettronico di nanofili scattate dopo molti cicli di carica/scarica non hanno mostrato rotture nell'involucro in PMMA, nemmeno fori di spillo. Ciò ha portato i ricercatori a ritenere che il rivestimento resista all'espansione del volume nell'elettrodo, che potrebbe aumentare la durata delle batterie.