Cоздана 3D-микробатарея, способная сделать чипы независимыми от внешних источников энергии

Группа исследователей из университета Иллинойса, скомбинировав методы 3D-голографической литографии и обычной двухмерной фотолитографии, создали микроскопическую, но высокоэффективную аккумуляторную батарею. Миниатюрные габариты созданной батареи позволят интегрировать ее прямо на чипы микроэлектронных устройств, делая эти чипы абсолютно независимыми от внешних источников электрической энергии.

"Наша 3D-микробатарея обладает исключительными электрическими характеристиками, а технология производства таких батарей может масштабироваться до любых размеров, благодаря чему такие батареи можно будет использовать в самом широком круге областей" - рассказывает Пол Браун, профессор материаловедения из университета Иллинойса, - "В подавляющем большинстве случаев микроэлектронные устройства работают за счет энергии, поставляемой извне их чипов, и это связано с трудностью миниатюризации технологий аккумулирования энергии. Миниатюрная, емкая и эффективная батарея, встроенная прямо в чип, может решить массу конструкторских проблем при разработке беспроводных датчиков, маломощных приемо-передающих устройств, мониторов, портативной и имплантируемой медицинской электроники".

Создавая свою батарею, ученые использовали технологию 3D-голографической литографии для создания сложной внутренней структуры электродов, а при помощи двухмерной фотолитографии электродам была придана необходимая внешняя форма. В этой работе были использованы все самые последние достижения технологий разработки, моделирования и производства, совокупность которых позволила получить высокую емкость и высокий показатель плотности хранения энергии.

В технологии 3D-голографической литографии используется несколько лучей лазеров, которые фокусируются в определенных точках фоточувствительного материала, создавая в объеме материала микроскопические структуры практически любой сложности. После такой обработки остатки не попавшего под воздействие луча лазера материала смываются специальным растворителем, оставляя структуру, состоящую из твердого полимерного материала, на поверхность которого осаждают токопроводящий материал, превращая все это в электрод аккумуляторной батареи с достаточно большой площадью.

Большая площадь электрода и его пористая структура обеспечивает быстрый перенос электрических зарядов при помощи электронов и ионов, приближая скоростные показатели таких батарей к значениям аналогичных показателей суперконденсаторов. Кроме этого, тщательно спроектированные особенности решетки электрода предотвращают процесс накопления и фиксации ионов лития возле одного из электродов, что повышает надежность ее работы, т.е. количество циклов заряда-разряда, во много раз по сравнению с батареями, имеющими обычные графитовые электроды.

Опытные образцы новых 3D-микробатарей, толщина которых составляет около 10 микрон, а площадь - 4 квадратных миллиметра, были способны выдавать 500 мкА тока, поддерживая свечение обычного светодиода на протяжении 600 секунд времени. А после 200 циклов заряда-разрядки общая емкость аккумуляторной батареи снизилась всего на 12 процентов.

"Мы разработали такой метод производства трехмерных литий-ионных аккумуляторных батарей, который полностью совместим с существующими технологиями производства полупроводниковых чипов" - рассказывает Хэйлонг Нинг (Hailong Ning), один из ученых, - "И теперь без особых трудностей можно будет производить специализированные чипы, которые будут в состоянии сами себя обеспечить энергией, необходимой им для длительной работы".