電池可能看起來像你可以想象的各種形狀和大小。但隨著電子設備變得更加纖薄和更薄，而不降低其功率和能量需求，他們要求工程師設計能夠適應越來越小的空間而不影響性能的電池。美國的研究人員使用非傳統技術來設計一種可能的解決方案 - 一種功能強大的3D鋰離子電池，其足跡大約為一百粒鹽。

“對于小型傳感器，你需要將電池重新設計成紐約的摩天大樓，而不是加利福尼亞州的牧場，”資深作者，加州大學洛杉磯分校材料科學與工程教授Bruce Dunn說。洛杉磯(UCLA)。“這就是3D電池的作用，我們可以使用半導體處理和保形電解質來制造兼容小型互聯網連接設備的產品。”

即使是最具創新性的二維電池也只能采用它們可以承受的形狀 - 基本電池需要一片陽極和一片陰極，并在兩者之間包含一個離子傳導電解質來完成電路。另一方面，原則上存在無數種方式來制造3D陽極和3D陰極，其像拼圖一樣(仍然必須由少量電解質分開)折疊在一起。Dunn集團選擇的設置被稱為“同心管”設計，其中均勻間隔的陽極柱陣列由可光圖案化的聚合物電解質的薄層均勻覆蓋，并且柱之間的區域填充有陰極材料。 。

盡管如此簡單，但許多研究人員只能制造一半的3D電池，創造出自身穩定的陽極和陰極，但在嘗試將這些電極組裝成一個功能電池時卻失敗了。同時，幾乎所有已組裝的3D電池都沒有明顯優于普通的二維版本。Dunn和博士后學者Janet Hur和Leland Smith通過采用通常用于制造半導體的方法克服這些障礙，并修改它們以將硅雕刻成他們想要用于陽極的精確間隔的氣缸網格。“這是電池世界不做的事情，”鄧恩說。

為了完成電池，他們在硅結構上涂上薄薄的電解質并倒入標準的鋰離子陰極材料中，使用陽極作為模具，確保兩半恰好合在一起。由此產生的電池實現了每平方厘米5.2毫瓦時的能量密度，是3D電池的最高報告，同時占用0.09平方厘米的微小空間并經受100次充電和放電循環。

鄧恩提醒說，這款3D電池尚未充分發揮其潛力，因為他希望他和他的團隊能夠通過進一步調整電池組件和組裝來提高其能量密度。“電池的另一個挑戰始終是包裝，”他補充道。“你需要密封它們，保持它們小，并確保它們在真實世界中的功能與手套箱中一樣好。”