Tým výzkumníků na Cornellově univerzitě vedený Ulrichem Wiesnerem, profesorem inženýrství Spencer T. Olin na katedře materiálových věd a inženýrství, se zabývá poptávkou po baterii, která má potenciál bleskových nábojů.
Myšlenka za touto technologií: „Místo anody a katody baterií na obou stranách nevodivého oddělovače proplétejte komponenty v samomontážní 3D gyroidální struktuře s tisíci pórů v nanoměřítku naplněnými komponenty nezbytnými pro energii skladování a dodání “.
„Jedná se o skutečně revoluční architekturu baterií,“ uvedl Wiesner, jehož článek skupiny „Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electric Energy Storage “, byl zveřejněn 16. května v publikaci Royal Society of Energy and Environmental Science. chemický.
"Tato trojrozměrná architektura v podstatě eliminuje všechny ztráty z mrtvého objemu ve vašem zařízení," řekl Wiesner. "Ještě důležitější je, že zmenšení rozměrů těchto prostupujících domén až na nanoměřítko, jak jsme to udělali, vám dá řádově vyšší hustotu energie." Jinými slovy, můžete získat přístup k energii v mnohem kratších dobách, než jaké se obvykle dělají s konvenčními bateriovými architekturami. “
Jak je to rychlé? Wiesner uvedl, že vzhledem k tomu, že se rozměry prvků baterie zmenšily až na nanoměřítko, „v době, kdy vložíte kabel do zásuvky, se baterie během několika sekund, možná ještě rychleji, nabije.“
Koncept této 3D baterie je založen na vlastní montáži blokového kopolymeru, kterou používali v jiných elektronických zařízeních, včetně gyroidálního solárního článku a gyroidálního supravodiče. Vedoucí autor této práce, Joerg Werner experimentoval se samonasávacími filtračními membránami a přemýšlel, zda by tento princip mohl být aplikován na uhlíkové materiály pro skladování energie.
Gyroidální tenké uhlíkové filmy - anoda baterie, generované vlastní montáží blokového kopolymeru - obsahovaly tisíce periodických pórů širokých řádově 40 nanometrů. Další potahování těchto pórů 10 nanometrovou tloušťkou, která je elektronicky izolovaná, ale iontově vodivý separátor, byly potaženy elektro-polymerací, která ze samotné podstaty procesu vytváří separační vrstvu bez děr. A absolutně tyto vady, jako jsou otvory v oddělovači, mohou vést ke katastrofickému selhání, které vede k požárům v mobilních zařízeních, jako jsou mobilní telefony a notebooky.
Přechod do druhého kroku, kterým je přidání katodového materiálu. V takovém případě přidejte síru ve vhodném množství, které zcela nevyplní zbytek pórů. Síra však může přijímat elektrony, ale nevodí elektřinu. Posledním krokem je zasypání elektronicky vodivým polymerem, známým jako PEDOT (poly).
I když tato architektura nabízí důkaz konceptu, řekl Wiesner, není to bez výzev. Změny objemu během vybíjení a nabíjení baterie postupně degradují sběrač nábojů PEDOT, u kterého nedochází k expanzi objemu jako u síry.
"Když síra expanduje," řekl Wiesner, "máš ty malé kousky polymeru, které se roztrhají, a pak se znovu nepřipojí, když se znovu zmenší." To znamená, že jsou kousky 3D baterie, ke kterým pak nemáte přístup. “
Tým se stále snaží zdokonalit techniku, ale při práci na důkazu koncepce použil ochranu pacientů. Práce byla podpořena Energy Material Center v CORNELL a financována americkým ministerstvem energetiky a National Science Foundation.