Zespół naukowców z Cornell University, kierowany przez Ulricha Wiesnera, profesora inżynierii Spencera T. Olina na Wydziale Inżynierii Materiałowej, zajmuje się zapotrzebowaniem na baterię, która może błyskawicznie się ładować.
Idea tej technologii: „Zamiast mieć anodę i katodę baterii po obu stronach nieprzewodzącego separatora, przeplataj komponenty w samoorganizującą się trójwymiarową strukturę żyroidalną, z tysiącami nanoskalowych porów wypełnionych komponentami niezbędnymi do wytwarzania energii magazynowanie i dostawa ”.
„To prawdziwie rewolucyjna architektura baterii” - powiedział Wiesner, którego artykuł „Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunkcja Gyroidal Nanohybrid do przechowywania energii elektrycznej ” został opublikowany 16 maja w Energy and Environmental Science, publikacji Royal Society z chemii.
„Ta trójwymiarowa architektura w zasadzie eliminuje wszelkie straty spowodowane martwą objętością w urządzeniu” - powiedział Wiesner. „Co ważniejsze, zmniejszenie wymiarów tych przenikających się domen do nanoskali, tak jak to zrobiliśmy, daje rząd wielkości wyższą gęstość mocy. Innymi słowy, możesz uzyskać dostęp do energii w znacznie krótszym czasie niż w przypadku konwencjonalnych architektur baterii ”.
Jak szybko to jest? Wiesner powiedział, że ze względu na skurczenie się wymiarów elementów baterii do nanoskali, „do momentu umieszczenia kabla w gnieździe, w ciągu kilku sekund, być może nawet szybciej, bateria zostanie naładowana”.
Koncepcja tej baterii 3D opiera się na samoorganizowaniu się kopolimeru blokowego, który stosowano w innych urządzeniach elektronicznych, takich jak żyroidowe ogniwo słoneczne i nadprzewodnik żyroidowy. Główny autor tej pracy, Joerg Werner, eksperymentował z samoorganizującymi się membranami filtracyjnymi i zastanawiał się, czy tę zasadę można zastosować do materiałów węglowych do magazynowania energii.
Żyroidowe cienkie warstwy węgla - anoda baterii, generowana przez samoorganizację kopolimeru blokowego - zawierały tysiące okresowych porów o szerokości rzędu 40 nanometrów. Dalsze powlekanie tych porów warstwą o grubości 10 nanometrów, która jest izolowana elektronicznie, ale separator przewodzący jony została pokryta metodą elektropolimeryzacji, która z samej natury procesu tworzy warstwę rozdzielającą bez otworków. I absolutnie te wady, takie jak dziury w separatorze, mogą prowadzić do katastrofalnej awarii prowadzącej do pożarów urządzeń mobilnych, takich jak telefony komórkowe i laptopy.
Przejście do drugiego etapu, czyli dodania materiału katodowego. W takim przypadku dodaj siarkę w odpowiedniej ilości, która nie wypełni całkowicie pozostałych porów. Ale siarka może przyjmować elektrony, ale nie przewodzi prądu. Ostatnim krokiem jest wypełnienie wyrobu polimerem przewodzącym elektrony, znanym jako PEDOT (poli).
Chociaż ta architektura stanowi dowód słuszności koncepcji, powiedział Wiesner, nie jest pozbawiona wyzwań. Zmiany objętości podczas rozładowywania i ładowania akumulatora powodują stopniową degradację kolektora ładunku PEDOT, który nie ulega zwiększeniu objętości, jak w przypadku siarki.
„Kiedy siarka się rozszerza” - powiedział Wiesner - „masz te małe kawałki polimeru, które są rozrywane, a następnie nie łączą się ponownie, gdy ponownie się kurczą. Oznacza to, że są części baterii 3D, do których nie masz dostępu. ”
Zespół nadal stara się udoskonalić technikę, ale wystąpił o ochronę pacjenta podczas weryfikacji koncepcji. Prace były wspierane przez Energy Material Center w CORNELL i finansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz National Science Foundation.