Puede parecer que las baterías vienen en todas las formas y tamaños que puedas imaginar. Pero a medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más pequeños y delgados sin reducir sus demandas de potencia y energía, desafían a los ingenieros a diseñar baterías que puedan caber en espacios cada vez más pequeños sin comprometer el rendimiento. Investigadores en los Estados Unidos han utilizado técnicas no tradicionales para diseñar una posible solución:una poderosa batería de iones de litio en 3D con una huella del orden de cien granos de sal. Su trabajo aparece el 3 de mayo en la revista. Joule .

"Para sensores pequeños, necesita rediseñar la batería para que sea como un rascacielos en Nueva York en lugar de una casa de campo en California, "dice el autor principal Bruce Dunn, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA). "Eso es lo que hace una batería 3D, y podemos utilizar el procesamiento de semiconductores y un electrolito conforme para hacer uno que sea compatible con las demandas de los pequeños dispositivos conectados a Internet ".

Incluso las baterías bidimensionales más innovadoras están limitadas en las formas que pueden tomar:la batería básica toma una porción de ánodo y una porción de cátodo y empaqueta un electrolito conductor de iones entre los dos para completar el circuito. Por otra parte, En principio, existen innumerables formas de crear un ánodo 3D y un cátodo 3D que se unen como piezas de un rompecabezas (todavía necesariamente separados por una pequeña cantidad de electrolito). La configuración elegida por el grupo de Dunn se llama diseño de "tubo concéntrico", donde una serie de postes de ánodo espaciados uniformemente están cubiertos uniformemente por una capa delgada de un electrolito polimérico con fotopatrón y la región entre los postes se llena con el material del cátodo.

A pesar de esta aparente sencillez, muchos investigadores solo han podido construir la mitad de una batería 3D, creando ánodos y cátodos que son estables por sí mismos, pero falla al intentar ensamblar estos electrodos en una batería funcional. Mientras tanto, casi todas las baterías 3D que se han ensamblado no han sido significativamente mejores que las versiones bidimensionales ordinarias. Dunn y becarios postdoctorales, Janet Hur y Leland Smith, superó estos obstáculos tomando métodos normalmente utilizados para fabricar semiconductores y modificándolos para tallar silicio en una rejilla de cilindros espaciados con precisión que querían para el ánodo. "Eso es algo que el mundo de las baterías simplemente no hace, "Dice Dunn.

Para completar la batería, aplicaron capas delgadas de electrolito a la estructura de silicio y vertieron un material de cátodo de iones de litio estándar, utilizando el ánodo como molde para asegurarse de que las dos mitades encajen perfectamente. La batería resultante alcanzó una densidad de energía de 5,2 milivatios-hora por centímetro cuadrado, entre los más altos reportados para una batería 3D, mientras ocupa una minúscula huella de 0,09 centímetros cuadrados y soporta 100 ciclos de carga y descarga.

Dunn advierte que esta batería 3D en particular aún no ha alcanzado su máximo potencial, ya que espera que él y su equipo puedan aumentar su densidad de energía con un mayor ajuste de los componentes y el ensamblaje de la batería. "Otro desafío con las baterías es siempre el embalaje, ", agrega." Tienes que sellarlos, mantenlos pequeños y asegúrese de que funcionen tan bien en el mundo real como en la guantera ".