Forskerteam ved Cornell University ledet av Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i ingeniørfag ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørfag, adresserer behovet for et batteri som har potensialet for lynraske ladninger.
Ideen bak denne teknologien: “I stedet for å ha batterienes anode og katode på hver side av en ikke-ledende separator, fletter du komponentene sammen i en selvmonterende, 3D-gyroidea struktur, med tusenvis av nanoskala porer fylt med komponentene som er nødvendige for energi lagring og levering ”.
"Dette er virkelig en revolusjonerende batteriarkitektur," sa Wiesner, hvis gruppes papir, "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ", ble publisert 16. mai i Energy and Environmental Science, en publikasjon av Royal Society. av kjemi.
"Denne tredimensjonale arkitekturen eliminerer i utgangspunktet alle tap fra dødt volum på enheten din," sa Wiesner. “Enda viktigere, å krympe dimensjonene til disse interpenetrerte domenene ned til nanoskalaen, som vi gjorde, gir deg størrelsesordener høyere effekttetthet. Med andre ord, du kan få tilgang til energien på mye kortere tider enn det som vanligvis gjøres med konvensjonelle batteriarkitekturer. ”
Hvor raskt er det? Wiesner sa at, på grunn av at dimensjonene til batteriets elementer ble krympet ned til nanoskalaen, "når du setter kabelen i kontakten, i sekunder, kanskje enda raskere, vil batteriet bli ladet."
Dette 3D-batteriets konsept er basert på selvmontering av blokkopolymer, som de brukte til å bruke i andre elektroniske enheter inkluderer en gyroidal solcelle og en gyroidal superleder. Hovedforfatter av dette arbeidet, Joerg Werner, eksperimenterte med selvmonterende filtreringsmembraner og lurte på om dette prinsippet kunne brukes på karbonmaterialer for energilagring.
De gyroidale tynne karbonfilmene - batteriets anode, generert av selvmontering av blokkopolymer - inneholdt tusenvis av periodiske porer i størrelsesorden 40 nanometer bredt. Ytterligere belegg av disse porene med en 10 nanometer tykk, som er elektronisk isolert, men ioneledende separator ble belagt gjennom elektropolymerisasjon, som av prosessens natur produserer et hullhullfritt separasjonslag. Og absolutt disse feilene som hull i separatoren kan føre til katastrofal svikt som kan føre til brann i mobile enheter som mobiltelefoner og bærbare datamaskiner.
Overgangen til andre trinn, som er et tilskudd av katodemateriale. I dette tilfellet tilsett svovel i en passende mengde som ikke fyller resten av porene. Men svovel kan akseptere elektroner, men leder ikke strøm. Det siste trinnet er å fylle på med en elektronisk ledende polymer, kjent som PEDOT (poly).
Selv om denne arkitekturen gir bevis på konseptet, sa Wiesner, er det ikke uten utfordringer. Volumendringer under utlading og lading nedbryter gradvis PEDOT-ladeapparatet, som ikke opplever volumutvidelsen som svovel gjør.
“Når svovelet utvides,” sa Wiesner, “har du disse små bitene av polymer som blir revet fra hverandre, og deretter kobles den ikke til igjen når den krymper igjen. Dette betyr at det er deler av 3D-batteriet som du ikke får tilgang til. ”
Teamet prøver fortsatt å perfeksjonere teknikken, men søkte om pasientbeskyttelse på proof-of-concept-arbeidet. Arbeidet ble støttet av Energy Material Center i CORNELL og finansiert av US Department of Energy samt National Science Foundation.