Le mérite du développement des batteries à couche mince revient à une équipe de scientifiques dirigée par le Dr John Bates. Ils ont mené, pendant plus d’une décennie, des recherches au laboratoire national d’Oak Ridge pour le développement d’une batterie à couche mince. Les batteries conventionnelles sont encombrantes et non flexibles, ce qui les rend inadaptées à une utilisation où l’espace est une contrainte. Un autre facteur est le rapport énergie/poids, qui est assez faible pour les batteries conventionnelles.
Les caractéristiques spécifiques aux batteries à couche mince sont la construction entièrement à semi-conducteurs. Ils peuvent être formés dans n’importe quelle forme ou taille et sont totalement sûrs dans toutes les conditions de fonctionnement. Ces batteries spécifiques peuvent également être utilisées dans une plage de température de fonctionnement plus large. En raison de leur construction entièrement à semi-conducteurs, les batteries à couche mince peuvent supporter des températures aussi élevées que 280 degrés centigrades ou 586 degrés Fahrenheit sans défaillance.
Cela rend les batteries à couche mince susceptibles d’être soudées avec d’autres composants électroniques dans un processus de refusion de soudure pour l’assemblage de circuits électroniques. Dans ce processus, tous les composants sont chauffés à une température à laquelle la soudure fond et s’écoule généralement pour lier chaque composant à la carte de circuit imprimé. Comme cette température est d’environ 250-280 degrés Celsius, 482-586 degrés Fahrenheit, les batteries conventionnelles contenant des composés liquides organiques sont incapables de survivre et doivent donc être ajoutées manuellement, une fois que l’assemblage a eu le temps de refroidir. Cette caractéristique unique des batteries à couche mince leur a valu le nom de batterie électronique.
La construction d’une batterie à couche mince est très simple. Différentes couches sont déposées par évaporation ou pulvérisation cathodique, une méthode couramment utilisée dans l’industrie de fabrication de semi-conducteurs. La cathode est généralement une grande surface et est recouverte sur le dessus d’une couche d’électrolyte sur laquelle l’anode est déposée. La couche électrolytique isole toute la cathode de l’anode. Une base ou un substrat en bas et un emballage en haut protègent la batterie des dommages. Selon le substrat et la méthode d’emballage, l’épaisseur totale de la batterie peut être aussi mince que 0.35 mm à 0.62 mm. Du fait que la batterie peut être fabriquée dans n’importe quelle forme et taille, n’importe quelle capacité spécifique d’espace, d’énergie et de puissance peut être ciblée.
Une batterie électronique est capable de fournir de l’électricité avec des densités de courant élevées en raison de la bonne utilisation de la cathode. La densité de courant, et donc la capacité de décharge, dépendent de la surface de la cathode. Avec une bonne taille de cathode, la batterie à couche mince peut se vanter d’un rendement énergétique élevé à un taux de décharge spécifié.
Un exemple pratique d’une batterie à couche mince est une batterie au lithium. L’anode est en lithium métallique, avec une cathode en oxyde de lithium cobalt. Cet agencement permet des batteries rechargeables, sur lesquelles peuvent être chargées jusqu’à 4.2 volts, et peuvent être déchargées jusqu’à 3.0 volts, de manière répétée. La capacité des batteries lithium-ion est exprimée comme la quantité de courant que la batterie peut fournir dans un temps spécifié en heures, et notée AH ou mAH. L’énergie des batteries à couche mince est donnée comme le produit de la tension et de la charge fournie par celle-ci, exprimée en WH ou mWH.