Forskargruppen vid Cornell University, ledd av Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i teknik vid Institutionen för materialvetenskap och teknik, tar itu med efterfrågan på ett batteri som har potential för blixtsnabba laddningar.
Idé bakom denna teknik: ”I stället för att ha batteriernas anod och katod på vardera sidan om en icke-ledande separator, flätar du samman komponenterna i en självmonterande, 3D-gyroidstruktur, med tusentals nanoskalaporer fyllda med de komponenter som är nödvändiga för energi lagring och leverans ”.
"Detta är verkligen en revolutionerande batteriarkitektur", säger Wiesner, vars grupps uppsats, "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ", publicerades 16 maj i Energy and Environmental Science, en publikation av Royal Society. av kemi.
"Denna tredimensionella arkitektur eliminerar i princip alla förluster från död volym i din enhet", sa Wiesner. ”Ännu viktigare, att krympa dimensionerna för dessa interpenetrerade domäner ner till nanoskalan, som vi gjorde, ger dig storleksordningar högre effekttäthet. Med andra ord kan du komma åt energin på mycket kortare tider än vad som vanligtvis görs med konventionella batteriarkitekturer. ”
Hur snabbt är det? Wiesner sa att, på grund av dimensionerna på batteriets element som krympte ner till nanoskalan, "när du sätter i kabeln i uttaget, på sekunder, kanske ännu snabbare, skulle batteriet laddas."
Konceptet med detta 3D-batteri bygger på självmontering av segmentsampolymer, som de använde i andra elektroniska enheter, inklusive en gyroidal solcell och en gyroidal superledare. Huvudförfattare till detta arbete, Joerg Werner, experimenterade med självmonterande filtreringsmembran och undrade om den principen kunde tillämpas på kolmaterial för energilagring.
De gyroidala tunna filmerna av kol - batteriets anod, alstrad av självmontering av segmentsampolymer - innehöll tusentals periodiska porer i storleksordningen 40 nanometer bred. Ytterligare beläggning av dessa porer med en tjocklek på 10 nanometer, som är elektroniskt isolerad men jonledande separator belades genom elektropolymerisation, vilket genom själva processen ger ett hålfritt separationsskikt. Och absolut dessa defekter som hål i avskiljaren kan leda till katastrofalt fel som ger upphov till bränder i mobila enheter som mobiltelefoner och bärbara datorer.
Övergången till det andra steget, vilket är ett tillsats av katodmaterial. I detta fall, tillsätt svavel i en lämplig mängd som inte riktigt fyller resten av porerna. Men svavel kan acceptera elektroner men leder inte elektricitet. Det sista steget är att fylla på med en elektroniskt ledande polymer, känd som PEDOT (poly).
Medan denna arkitektur erbjuder ett bevis på konceptet, sa Wiesner, är det inte utan utmaningar. Volymförändringar under urladdning och laddning av batteriet försämrar gradvis PEDOT-laddningsuppsamlaren, vilket inte upplever volymutvidgningen som svavel gör.
”När svavlet expanderar,” sa Wiesner, “har du dessa små bitar av polymer som slits sönder, och sedan ansluter den inte igen när den krymper igen. Det betyder att det finns delar av 3D-batteriet som du då inte kan komma åt. ”
Teamet försöker fortfarande att perfektera tekniken men ansökte om patientskydd på proof-of-concept-arbetet. Arbetet stöddes av Energy Material Center på CORNELL och finansierades av US Department of Energy samt National Science Foundation.