Echipa de cercetători de la Universitatea Cornell condusă de Ulrich Wiesner, profesor de inginerie Spencer T. Olin din cadrul Departamentului de Știința și Ingineria Materialelor, răspunde cererii unei baterii care are potențialul de încărcări rapide.
Ideea din spatele acestei tehnologii: „În loc să aveți anodul și catodul bateriilor pe ambele părți ale unui separator neconductiv, împletiți componentele într-o structură giroidală 3D auto-asamblată, cu mii de pori la scară nanomplută cu componentele necesare pentru energie depozitare și livrare ”.
„Aceasta este cu adevărat o arhitectură revoluționară a bateriei”, a spus Wiesner, al cărui articol al grupului „Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ”, a fost publicat pe 16 mai în Energy and Environment Science, o publicație a Societății Regale de Chimie.
„Această arhitectură tridimensională elimină practic toate pierderile din volumul mort al dispozitivului dvs.”, a spus Wiesner. „Mai important, reducerea dimensiunilor acestor domenii interpenetrate până la nano-scară, așa cum am făcut noi, vă oferă ordine de mărime cu o densitate de putere mai mare. Cu alte cuvinte, puteți accesa energia în perioade mult mai scurte decât ceea ce se face de obicei cu arhitecturile convenționale ale bateriilor. ”
Cât de repede este asta? Wiesner a spus că, din cauza reducerii dimensiunilor elementelor bateriei până la scară nanomedicală, „până când introduceți cablul în priză, în câteva secunde, poate chiar mai repede, bateria va fi încărcată”.
Conceptul acestei baterii 3D se bazează pe auto-asamblare a copolimerului bloc, pe care obișnuiau să-l folosească în alte dispozitive electronice, incluzând o celulă solară giroidală și un supraconductor giroidal. Autorul principal al acestei lucrări, Joerg Werner a experimentat cu membrane de filtrare auto-asamblabile și s-a întrebat dacă acest principiu ar putea fi aplicat materialelor de carbon pentru stocarea energiei.
Filmele subțiri giroidale de carbon - anodul bateriei, generat de auto-asamblare a copolimerului bloc - au prezentat mii de pori periodici cu o lățime de 40 nanometri. Acoperirea ulterioară a acestor pori cu un gros de 10 nanometri, care este izolat electronic, dar separatorul care conduce ionul a fost acoperit prin electro-polimerizare, care prin natura procesului produce un strat de separare fără găuri. Și absolut aceste defecte, cum ar fi găurile din separator, pot duce la eșecuri catastrofale, provocând incendii în dispozitivele mobile, cum ar fi telefoanele mobile și laptopurile.
Trecerea la a doua etapă, care este un adaos de material catodic. În acest caz, adăugați sulf într-o cantitate adecvată, care nu prea umple restul porilor. Dar sulful poate accepta electroni, dar nu conduce electricitatea. Etapa finală este umplerea cu un polimer care conduce electronic, cunoscut sub numele de PEDOT (poli).
În timp ce această arhitectură oferă dovada conceptului, a spus Wiesner, nu este lipsită de provocări. Schimbările de volum în timpul descărcării și încărcării bateriei degradează treptat colectorul de încărcare PEDOT, care nu experimentează expansiunea volumului pe care o face sulful.
„Când sulful se extinde”, a spus Wiesner, „ai aceste bucăți mici de polimer care se sfâșie și apoi nu se reconectează când se micșorează din nou. Aceasta înseamnă că există bucăți din bateria 3D pe care atunci nu le puteți accesa. ”
Echipa încearcă în continuare să perfecționeze tehnica, dar a solicitat protecția pacientului pe baza dovezii conceptului. Lucrarea a fost susținută de Energy Material Center de la CORNELL și finanțată de Departamentul SUA pentru Energie, precum și de National Science Foundation.