В последнее время появляется все больше и больше миниатюрных электронных устройств, примером чему могут служить различные медицинские имплантаты, биологические датчики и устройства слежения. Но, если собственно электронные части таких устройств поддаются миниатюризации без особых затруднений, то элементы питания, снабжающие электронику энергией, остаются еще достаточно большими и тяжелыми, на их долю приходится основная часть веса и размером миниатюрных электронных устройств. Сложившаяся ситуация может измениться в самом ближайшем будущем благодаря усилиям ученых из Гарвардского университета и университета Иллинойса, которые создали самые маленькие в мире функционирующие литий-ионные аккумуляторные батареи, изготовленные с помощью технологии трехмерной нано-печати, размеры которых не превышают размеров крупинки песка.
Элементы миниатюрных аккумуляторных батарей изготовлены из электрохимически активных материалов, выдавливаемых через «носик» трехмерного нано-принтера, диаметр которого меньше диаметра человеческого волоса. Материал, из которого изготовлены аноды, содержит наночастицы из литий-металлического оксида, а материал, из которого изготовлены катоды аккумуляторной батареи, содержит наночастицы иного состава.
Компоненты аккумуляторной батареи создаются с помощью нанесения слоев быстрозатвердевающих материалов, формирующих нечто вроде двух гребенок, входящих друг в друга своими зубцами, но не контактирующих друг с другом. Готовая конструкция помещается в защитную капсулу из полимерного материала и внутренняя полость заполняется раствором жидкого электролита. В результате получается полностью работоспособная микроскопическая аккумуляторная батарея, обладающая достаточно высокими электрическими показателями.
Проведя испытания созданных микробатарей, ученые определили из емкость, время полного заряда, разряда и другие характеристики, имеющие отношение к способности хранения энергии. В результате этих исследований ученые пришли к выводу о том, что «электрохимическая работа, выполняемая микробатареей, сопоставима с работой, выполняемой лучшими образцами коммерческих литий-ионных аккумуляторных батарей с точки зрения максимальной отдаваемой мощности, плотности хранения энергии, надежности и количества циклов заряда-разряда».
В своей работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, исследователи, возглавляемые профессором Дженнифер Льюис (Prof. Jennifer Lewis) из Гарвардского университета, сравнили с характеристики созданной ими микробатареи с характеристиками других малогабаритных электрохимических источников энергии. Согласно приведенным данным, трехмерные печатные микробатареи намного превосходят по ряду параметров даже тонкопленочные аккумуляторные батареи, которые ранее считались самыми лучшими источниками питания для миниатюрных электронных устройств.
