Tím výskumníkov na Cornellovej univerzite pod vedením Ulricha Wiesnera, profesora inžinierstva Spencera T. Olina na Katedre materiálovej vedy a techniky, sa zaoberá požiadavkou na batériu, ktorá má potenciál bleskových nábojov.
Myšlienka tejto technológie: „Namiesto anódy a katódy batérií na oboch stranách nevodivého oddeľovača prepletajte komponenty v samozostaviteľnej 3D gyroidálnej štruktúre s tisíckami pórov v nanorozmeroch naplnených komponentmi potrebnými pre energiu skladovanie a dodávka “.
„Toto je skutočne revolučná architektúra batérií,“ uviedol Wiesner, ktorého článok skupiny „Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electric Energy Storage “, bol zverejnený 16. mája v publikácii Royal Society of Energy and Environmental Science. chémie.
"Táto trojrozmerná architektúra v podstate eliminuje všetky straty z mŕtveho objemu vo vašom prístroji," uviedol Wiesner. "Dôležitejšie je, že zmenšenie rozmerov týchto vzájomne sa prenikajúcich domén až na nanomierku, ako sme to urobili, vám dá rádovo vyššiu hustotu výkonu." Inými slovami, máte prístup k energii v oveľa kratších časoch, ako je to obvykle pri bežných architektúrach batérií. “
Aké je to rýchle? Wiesner uviedol, že vďaka zmenšeniu rozmerov prvkov batérie na nanorozmer „sa batéria nabije v čase, keď vložíte kábel do zásuvky, za pár sekúnd, možno ešte rýchlejšie.“
Koncept tejto 3D batérie je založený na samostatnej montáži blokového kopolyméru, ktorú používali v iných elektronických zariadeniach, vrátane gyroidného solárneho článku a gyroidného supravodiča. Vedúci autor tejto práce, Joerg Werner experimentoval so samozostaviteľnými filtračnými membránami a uvažoval, či by sa tento princíp dal uplatniť na uhlíkové materiály na skladovanie energie.
Gyroidálne tenké uhlíkové filmy - anóda batérie, ktoré sa generujú samomontážou blokového kopolyméru - obsahovali tisíce periodických pórov širokých rádovo 40 nanometrov. Ďalšie potiahnutie týchto pórov vrstvou 10 nanometrov, ktorá je elektronicky izolovaná, ale iónovo vodivý separátor, boli potiahnuté elektro-polymerizáciou, ktorá na základe povahy procesu vytvára separačnú vrstvu bez dierok. A absolútne tieto chyby, ako napríklad diery v oddeľovači, môžu viesť ku katastrofickému zlyhaniu, ktoré vedie k požiarom v mobilných zariadeniach, ako sú mobilné telefóny a notebooky.
Prejdite do druhého kroku, ktorým je pridanie katódového materiálu. V takom prípade pridajte síru v primeranom množstve, ktoré úplne nezaplní zvyšok pórov. Ale síra môže prijímať elektróny, ale nevedie elektrinu. Posledným krokom je zasypanie elektronicky vodivým polymérom, známym ako PEDOT (poly).
Aj keď táto architektúra ponúka dôkaz koncepcie, povedal Wiesner, nie je to bez problémov. Zmeny objemu počas vybíjania a nabíjania batérie postupne degradujú kolektor nabíjania PEDOT, ktorý nepociťuje rozšírenie objemu, aké spôsobuje síra.
"Keď sa síra rozšíri," povedal Wiesner, "máš tieto malé kúsky polyméru, ktoré sa roztrhnú a potom sa znova nepripojí, keď sa znova zmenší." To znamená, že existujú kúsky 3D batérie, ku ktorým potom nemáte prístup. “
Tím sa stále snaží zdokonaliť techniku, ale pri práci na overení koncepcie požiadal o ochranu pacienta. Práce boli podporené Energetickým materiálovým centrom v CORNELLU a financované americkým ministerstvom energetiky ako aj Národnou vedeckou nadáciou.