Virusmonterade mikrobatterier

Eftersom elektroniska enheter görs allt mindre, ökar efterfrågan på lika små strömkällor. Nu har MIT-forskare rapporterat ett viktigt framsteg mot att bygga sådana mikroskopiska batterier. De använde ett virus för att montera anoder ovanpå elektrolytskikt – två av de tre huvudkomponenterna i ett fungerande batteri – och kopplade dem till strömsamlande ytor. Komponenterna, som beskrivs denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , är bara fyra mikrometer breda och kan hitta tillämpning i laboratorier på ett chip eller andra små medicinska apparater, säger forskarna.

Kraftförpackning: MIT-forskare skapade virusbaserade mikrobatterier tryckta ovanpå fyra platinaband, sett expanderande åt vänster. Två rader batterielektroder, för små för att ses här, är inriktade på den avsmalnande änden av varje platinaband och täckt med litiumfolie för elektrisk testning.

Att bygga mikroskopiska batterier har tidigare visat sig svårt eftersom andelen elektrokemiskt aktivt material inuti ett batteri minskar när dess storlek minskar. En annan trend inom elektronik är att mönstra enheter på flexibla eller krökta ytor, som strömkällor måste kunna anpassa sig till. MIT-arbetet tyder på att små, pålitliga batterier både kan tillverkas i mikroskopisk skala och bäddas in på en mängd olika ytor.

Det som är nytt med den här forskningen är både storleken [på batterielektroderna] och processen vi använde för att placera dem, säger Angela Belcher , professor i materialvetenskap vid MIT, som samarbetade med kollegor Ändå-Ming Chiang och Paula Hammond på arbetet. De började med att etsa kolumner fyra mikrometer breda och några mikrometer höga på en silikonbaserad yta för att effektivt skapa en stämpel. De avsatte sedan alternerande lager av två olika polymerer, som fungerade som den fasta elektrolyten och batteriseparatorn, ovanpå dessa kolonner.

Därefter ringde ett virus M13 , som forskarna har använt i tidigare självmonteringsstudier, användes för att göra anoden. Viruset består av proteiner som kan modifieras genetiskt för att reagera med särskilda ämnen. I det här fallet genererade den strukturerade uppsättningar av nanotrådar av koboltoxid ovanpå den fasta elektrolyten. Slutligen vändes de sammansatta elektroderna över och pressades på tunna band av platina, som sammanfogades med en kopparkontakt för att samla upp ström från enheten.

Forskarna testade enhetens prestanda med hjälp av ett lager litiumfolie och fann att kvaliteten på elektroderna är exakt densamma som tidigare, säger Belcher, med hänvisning till gruppens tidigare demonstrationer av större virusmonterade batterier. Hon tillägger att koboltoxidanoden har en mycket högre laddningslagringskapacitet än de kolbaserade elektroderna som vanligtvis används i litiumjonbatterier, och att den är stabil under laddning och urladdning. Den har också en högre densitet av aktivt material än konventionella batterier.

Andra fördelar med virusmontering inkluderar att fungera i rumstemperatur och exakt kontroll över storleken och avståndet mellan nanomaterial, vilket leder till enhetliga och lätt reproducerbara enheter. Forskarnas nästa mål är att lägga till en virusmonterad katod för att skapa ett komplett batteri. Eftersom de har experimenterat med olika material och har tillverkat katoder i större skala, säger Belcher att det definitivt är möjligt att införliva mikrokatoder i tryckmetoden. I framtiden, tillägger hon, kommer de att arbeta mot enheter med högre energitäthet och skapa enheter som är biokompatibla.

Dölj