p As baterias podem parecer que vêm em todos os formatos e tamanhos que você pode imaginar. Mas, à medida que os dispositivos eletrônicos se tornam mais minúsculos e finos sem reduzir suas demandas de potência e energia, eles desafiam os engenheiros a projetar baterias que possam caber em espaços cada vez menores sem comprometer o desempenho. Pesquisadores nos Estados Unidos usaram técnicas não tradicionais para criar uma solução possível - uma poderosa bateria 3D de íon de lítio com uma pegada da ordem de cem grãos de sal. O trabalho deles aparece em 3 de maio na revista Joule . p "Para sensores pequenos, você precisa redesenhar a bateria para ser como um arranha-céu em Nova York, em vez de uma casa de fazenda na Califórnia, "diz o autor sênior Bruce Dunn, professor de ciência de materiais e engenharia da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA). "Isso é o que uma bateria 3D faz, e podemos usar o processamento de semicondutor e um eletrólito conformado para fazer um que seja compatível com as demandas de pequenos dispositivos conectados à Internet. "

p Mesmo as baterias bidimensionais mais inovadoras são limitadas nas formas que podem assumir - a bateria básica pega uma fatia de ânodo e uma fatia de cátodo e empacota um eletrólito condutor de íons entre as duas para completar o circuito. Por outro lado, existem, em princípio, inúmeras maneiras de criar um ânodo 3D e um cátodo 3D que se encaixam como peças de um quebra-cabeça (ainda necessariamente separados por uma pequena quantidade de eletrólito). A configuração escolhida pelo grupo de Dunn é chamada de design de "tubo concêntrico", onde uma matriz de postes de ânodo espaçados uniformemente são cobertos uniformemente por uma camada fina de um eletrólito de polímero foto-padronizado e a região entre os postes é preenchida com o material de cátodo.

p Apesar desta aparente simplicidade, muitos pesquisadores só conseguiram construir metade de uma bateria 3D, criando ânodos e cátodos que são estáveis ​​por conta própria, mas falham ao tentar montar esses eletrodos em uma bateria funcional. Enquanto isso, quase todas as baterias 3D que foram montadas não foram significativamente melhores do que as versões bidimensionais comuns. Dunn e estudiosos de pós-doutorado, Janet Hur e Leland Smith, Superou esses obstáculos pegando métodos normalmente usados ​​para fazer semicondutores e modificando-os para esculpir o silício em uma grade de cilindros com espaçamento preciso que eles queriam para o ânodo. "Isso é algo que o mundo da bateria simplesmente não faz, "Dunn diz.

p Para completar a bateria, eles aplicaram camadas finas de eletrólito à estrutura de silício e despejaram um material de cátodo de íon-lítio padrão, usando o ânodo como molde para garantir que as duas metades se encaixem perfeitamente. A bateria resultante alcançou uma densidade de energia de 5,2 milli-watt-hora por centímetro quadrado, entre os mais altos relatados para uma bateria 3D, enquanto ocupa uma pegada minúscula de 0,09 centímetro quadrado e suporta 100 ciclos de carga e descarga.

p Dunn adverte que esta bateria 3D em particular ainda não atingiu todo o seu potencial, pois ele espera que ele e sua equipe possam aumentar sua densidade de energia com ajustes adicionais dos componentes da bateria e montagem. “Outro desafio com baterias é sempre a embalagem, "ele acrescenta." Você precisa lacrá-los, mantenha-os pequenos, e certifique-se de que funcionam tão bem no mundo real quanto no porta-luvas. "