ساخت میکروباتری کوچکتر از دانه برنج

نورنیوز-گروه جامعه: برای توسعه فناوری، «غبار هوشمند»، یکی از گلوگاه‌های تامین انرژی است. گرد و غبار هوشمند چشم‌اندازی از آینده شبکه‌ای است که در آن شبکه‌های هوشمندی متشکل از تریلیون‌ها حسگر کوچک، به طور مداوم آنچه را که در محیط اطرافشان می‌گذرد احساس، با یکدیگر ارتباط برقرار و اطلاعات را مبادله می‌کنند. شبکه‌های گرد و غبار هوشمند، بخشی از دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) هستند.
یکی از چالش‌های تحقق مفاهیم گرد و غبار هوشمند و همچنین نانو و میکرورباتیک به طور کلی، نبود منابع انرژی به همان اندازه کوچک روی تراشه برای عملیات در هر زمان و هر مکان است.
یک راه حل، سامانه های تبدیل انرژی است که انرژی خارجی مانند نانو ژنراتور‌های میکروترموالکتریک یا تریبوالکتریک یا فتوولتائیک روی تراشه را جمع‌آوری می‌کنند. با این حال، این سامانه ها معمولاً به زمان‌ها و مکان‌های خاص وابسته هستند و عملکرد بر اساس تقاضای گرد و غبار هوشمند و میکروربات‌ها را در بسیاری از محیط‌ها بسیار محدود می‌کنند.
راه‌حل دیگر باتری است. در حال حاضر، محققان نشان داده‌اند که میکروباتری‌هایی که کوچک‌تر از یک دانه نمک هستند، می‌توانند در مقادیر زیادی روی سطح ویفر تولید شوند و برای تامین انرژی کامپیوتر‌هایی با اندازه گرد و غبار مناسب هستند.
دکتر مینشن ژو از گروه تحقیقاتی پروفسور دکتر الیور جی اشمیت در دانشگاه صنعتی چیمنیتز می‌گوید: «محدودیت‌های فعلی در راهبرد‌های ساخت به این معنی است که میکروباتری‌های روی تراشه نمی‌توانند به‌طور همزمان به چگالی انرژی بالا و ردپای کوچک دست یابند. در مقابل، موفق‌ترین طراحی در دنیای باتری‌های حجیم، ترکیب لایه‌های زیادی از مواد الکترود در حجم محدود است. برای مثال، تسلا از باتری‌های به اصطلاح سیلندر رول برای خودرو‌های الکتریکی خود استفاده می‌کند.»
با این حال، قطر باتری‌های سیلندر تسلا ۱٫۸ سانتی‌متر است که برای ادغام شدن با سامانه های مقیاس کوچک بسیار بزرگ است. ژو خاطرنشان می‌کند: «تاکنون هیچ روشی برای ساخت باتری سیلندر رول با قطر صد‌ها میکرومتر بر روی یک تراشه در دسترس نبوده است».
ژو و همکارانش به تازگی دستاورد‌هایی در این زمینه داشته‌اند. مکانیزم خود مونتاژی امکان ساخت موازی رول‌های میکرو مقیاس متعدد روی ویفر را فراهم می‌کند. طول یک رول ۳ میلی‌متر و قطر آن حدود ۱۷۸ میکرومتر، یعنی بسیار کوچکتر از یک دانه برنج است.
ژو توضیح می‌دهد: «یکی از عوامل اصلی که چگالی انرژی میکروباتری‌ها را محدود می‌کند، انتخاب محدود مواد مورد استفاده در الکترود است، زیرا مواد مورد استفاده برای میکرو باتری‌های روی تراشه بیشتر با ابزار‌های رسوب‌گذاری و لایه‌نشانی به دست می‌آیند.»
یک مشکل دوغاب‌های الکترود معمولی این است که آن‌ها به دوره‌های خشک شدن طولانی (بیش از ۱۰ ساعت) در دمای بالای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد و در خلاء نیاز دارند. این گروه با ایجاد یک دوغاب الکترود با قابلیت خشک شدن سریع (یک ساعت) با پراکنده کردن نانوسیم‌های MnO ۲ در یک بایندر (پلی‌آمید) این مشکل را برطرف کردند. پلی آمید یک رابط فعال الکترود-الکترولیت را تشکیل می‌دهد که قابلیت انتقال یون روی را بهبود می‌بخشد و از انحلال MnO ۲ جلوگیری می‌کند.