Forskerhold ved Cornell University ledet af Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i teknik i Institut for materialevidenskab og teknik, imødekommer efterspørgslen efter et batteri, der har potentiale til lynhurtige opladninger.
Idé bag denne teknologi: ”I stedet for at have batteriernes anode og katode på hver side af en ikke-ledende separator, fletter du komponenterne sammen i en selvmonterende 3D-gyroidea struktur med tusindvis af nanoskala porer fyldt med de nødvendige komponenter til energi opbevaring og levering ”.
"Dette er virkelig en revolutionerende batteriarkitektur," sagde Wiesner, hvis gruppes papir, "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ", blev offentliggjort 16. maj i Energy and Environmental Science, en publikation fra Royal Society. for kemi.
”Denne tredimensionelle arkitektur fjerner dybest set alle tab fra død volumen i din enhed,” sagde Wiesner. “Hvad vigtigere er, at krympe dimensionerne af disse interpenetrerede domæner ned til nanoskalaen, som vi gjorde, giver dig størrelsesordener højere effekttæthed. Med andre ord kan du få adgang til energien i meget kortere tider, end hvad der normalt gøres med konventionelle batteriarkitekturer. ”
Hvor hurtigt er det? Wiesner sagde, på grund af dimensionerne på batteriets elementer, der blev krympet ned til nanoskalaen, "når du sætter dit kabel i stikkontakten, i sekunder, måske endnu hurtigere, ville batteriet blive opladet."
Dette 3D-batteris koncept er baseret på selvmontering af blokcopolymer, som de brugte til at anvende i andre elektroniske enheder inkluderer en gyroidal solcelle og en gyroidal superleder. Hovedforfatter af dette arbejde, Joerg Werner, eksperimenterede med selvsamlende filtreringsmembraner og spekulerede på, om dette princip kunne anvendes på kulstofmaterialer til energilagring.
De gyroidale tynde film af kulstof - batteriets anode, genereret ved selvmontering af blokcopolymer - indeholdt tusindvis af periodiske porer i størrelsesordenen 40 nanometer bred. Yderligere belægning af disse porer med en 10 nanometer tykkelse, som er elektronisk isoleret, men ion-ledende separator blev overtrukket gennem elektropolymerisation, som ved selve fremgangsmådens natur producerer et hulhul-frit separationslag. Og absolut kan disse defekter som huller i separatoren føre til katastrofal fejl, der giver anledning til brande i mobile enheder såsom mobiltelefoner og bærbare computere.
Flytningen til det andet trin, som er en tilføjelse af katodemateriale. I dette tilfælde tilsættes svovl i en passende mængde, der ikke helt fylder resten af porerne. Men svovl kan acceptere elektroner, men leder ikke elektricitet. Det sidste trin er at genopfylde med en elektronisk ledende polymer, kendt som PEDOT (poly).
Mens denne arkitektur giver et bevis på konceptet, sagde Wiesner, er det ikke uden udfordringer. Volumenændringer under afladning og opladning af batteriet nedbryder gradvist PEDOT-ladeafsamleren, som ikke oplever den volumenudvidelse, som svovl gør.
”Når svovlet udvider sig,” sagde Wiesner, “har du disse små bit af polymer, der bliver revet fra hinanden, og så forbindes det ikke igen, når det krymper igen. Dette betyder, at der er stykker af 3D-batteriet, som du derefter ikke kan få adgang til. ”
Holdet forsøger stadig at perfektionere teknikken, men søgte patientbeskyttelsen på proof-of-concept-arbejdet. Arbejdet blev støttet af Energy Material Center på CORNELL og finansieret af US Department of Energy samt National Science Foundation.