211service.com
Virus-geassembleerde microbatterijen
Omdat elektronische apparaten steeds kleiner worden gemaakt, is er een toenemende vraag naar even minuscule stroombronnen. Nu hebben MIT-onderzoekers een belangrijke vooruitgang gerapporteerd in de richting van het bouwen van dergelijke microscopische batterijen. Ze gebruikten een virus om anoden op elektrolytlagen te monteren - twee van de drie hoofdcomponenten van een werkende batterij - en verbonden ze met stroomopnemende oppervlakken. De componenten, deze week beschreven in Proceedings van de National Academy of Sciences , zijn slechts vier micrometer breed en kunnen worden toegepast in laboratoria op een chip of andere kleine medische apparaten, zeggen de onderzoekers.
Machtsverpakking: MIT-onderzoekers creëerden op virussen gebaseerde microbatterijen die op vier platinabanden zijn gedrukt, die zich naar links uitstrekken. Twee rijen batterij-elektroden, te klein om hier te zien, zijn uitgelijnd op het taps toelopende uiteinde van elke platinaband en bedekt met lithiumfolie voor elektrische tests.
Het bouwen van microscopisch kleine batterijen is in het verleden moeilijk gebleken omdat het aandeel elektrochemisch actief materiaal in een batterij afneemt naarmate de omvang ervan kleiner wordt. Een andere trend in de elektronica is het aanbrengen van patronen op flexibele of gebogen oppervlakken, waar stroombronnen zich aan moeten kunnen aanpassen. Het MIT-werk suggereert dat kleine, betrouwbare batterijen zowel op microscopische schaal kunnen worden gemaakt als op verschillende oppervlakken kunnen worden ingebed.
Wat nieuw is aan dit onderzoek is zowel de grootte [van de batterij-elektroden] als het proces dat we hebben gebruikt om ze te positioneren, zegt Angela Belcher , een professor in materiaalkunde aan het MIT, die samenwerkte met collega's Yet-Ming Chiang en Paula Hammond op het werk. Ze begonnen met het etsen van kolommen van vier micrometer breed en een paar micrometer hoog op een op silicium gebaseerd oppervlak om effectief een stempel te creëren. Vervolgens legden ze afwisselend lagen van twee verschillende polymeren af, die dienden als de vaste elektrolyt en batterijscheider, bovenop deze kolommen.
Vervolgens een virus genaamd M13 , die de onderzoekers in eerdere zelfassemblagestudies hebben gebruikt, werd gebruikt om de anode te maken. Het virus is gemaakt van eiwitten die genetisch gemodificeerd kunnen worden om met bepaalde stoffen te reageren. In dit geval genereerde het gestructureerde arrays van kobaltoxide-nanodraden bovenop de vaste elektrolyt. Ten slotte werden de geassembleerde elektroden omgedraaid en op dunne banden van platina gedrukt, die werden verbonden met een koperen contact om stroom van het apparaat te verzamelen.
De onderzoekers testten de prestaties van het apparaat met behulp van een laag lithiumfolie en ontdekten dat de kwaliteit van de elektroden precies hetzelfde is als voorheen, zegt Belcher, verwijzend naar de eerdere demonstraties van de groep van grotere virus-geassembleerde batterijen. Ze voegt eraan toe dat de kobaltoxide-anode een veel hogere ladingsopslagcapaciteit heeft dan de op koolstof gebaseerde elektroden die doorgaans in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, en dat hij stabiel is tijdens het opladen en ontladen. Het heeft ook een hogere dichtheid van actief materiaal dan conventionele batterijen.
Andere voordelen van virusassemblage zijn het functioneren bij kamertemperatuur en nauwkeurige controle over de grootte en afstand van nanomaterialen, wat leidt tot uniforme en gemakkelijk reproduceerbare apparaten. Het volgende doel van de onderzoekers is om een virus-geassembleerde kathode toe te voegen om een complete batterij te maken. Omdat ze met verschillende materialen hebben geëxperimenteerd en op grotere schaal kathoden hebben gefabriceerd, zegt Belcher dat het zeker mogelijk is om microkathodes in de printmethode op te nemen. In de toekomst, voegt ze eraan toe, zullen ze werken aan apparaten met een hogere energiedichtheid en apparaten maken die biocompatibel zijn.