業界標準の薄膜電池に迫る新しい 3D マイクロバッテリー

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(New 3D microbatteries stand up to industry standard thin-film counterparts)

2021/4/5 アメリカ合衆国・イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校

 

・ イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校が、厚い 3D 電極を使用するパワフルなマイクロバッテリーの製造とパッケージング技術を開発。
・ ゲル電解質で満たしたパッケージに各ユニットを封入した同マイクロバッテリ-は、リソグラフィーと電気溶着プロセスにより作製。プロトタイプでは、これまで報告された中で最も高いピークパワー密度を達成した。
・ ポータブルな医療用エレクトロニクス等のマイクロデバイスで使用される薄膜リチウムイオン電池の多くは、薄く平坦な正・負電極の使用により省スペース化を図っているが、現行技術の無線伝送ニーズを満たすエネルギー量に欠ける。
・ 厚い電極の使用により、限られたスペースにエネルギーをより多量に保持できるが、イオンと電子の移動経路が増えるためパワーが低減する。液体電解質を充填した 3D 多孔質電極を使用すれば同経路が短縮できるが、このようなマイクロバッテリ-の作製は極めて難しい。
・ インプリント・リソグラフィーによる 3D マイクロバッテリ-で液体電解質を使用し、高いピークパワーを達成した研究事例があるが、密封されていない状態での研究室の条件下の計測結果となっている。
・ 本研究では、毛管現象の利用により 3D 多孔質電極をゲル電解質で満たすユニークな充填プロセスを開発し、マイクロバッテリ-の完全なパッケージングを可能にした。液体電解質よりも濃厚なゲル電解質では、バッテリーのシーリング時の電解質漏れを回避し、バッテリー使用上の安全性も確保できる。
・ 新マイクロバッテリ-は、1.24J/㎠の高エネルギー密度と 75.5mW/㎠の高出力密度を有し、現行のバッテリーの約 10 倍の性能を提供する。通常条件下、200 サイクルが可能で初期放電容量の 75%を維持。液体電解質利用時では、218mW/㎠の高出力密度を達成し、さらなる向上の可能性を提示した。
・ スタンバイモード(100 秒間)で 5μW、データ送信時(10 ミリ秒間)に 5mW のエネルギーを使用した場合では、132 日間の自律的なマイクロスケール電力供給が可能となる。
・ 本研究は、米国防総省(DoD)、米国立科学財団(NSF)および中国国家自然科学基金委員会(NSFC)が支援した。
URL: https://news.illinois.edu/view/6367/1737488480

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Advanced Materials 掲載論文(フルテキスト)
High‐Performance Packaged 3D Lithium‐Ion Microbatteries Fabricated Using Imprint Lithography
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006229

Abstract

Fabrication of high-energy-density and high-power-density packaged long-
cycle-life rechargeable microbatteries remains a considerable challenge. Here,
high-performance microbatteries with high active volume fraction, thick,
D-structured electrodes (V
O
cathode and Li metal anode) are realized
through a combination of imprint lithography, self-assembly, and electrodepo
sition. To assist the critical challenge of hermetic packaging, the microbattery
is infilled with a gel electrolyte. The packaged cell exhibits high areal energy
and power densities of . J cm
and .mW cm
, respectively, and can be
cycled  times in argon or  times in air with % capacity retention of the
initial discharge capacity. An unpackaged cell, using a liquid electrolyte, pro
vides a power density of mW cm
. As far as it is known, the micro batteries
have the highest peak power density among all reported microbatteries.
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