Istraživački tim sa Sveučilišta Cornell pod vodstvom Ulricha Wiesnera, profesora inženjerstva Spencer T. Olin na Odjelu za znanost o materijalima i inženjerstvu, bavi se potražnjom za baterijom koja ima potencijal brzih punjenja.
Ideja iza ove tehnologije: „Umjesto da anodu i katodu baterija imaju s obje strane neprovodnog separatora, isprepleti komponente u samosastavljajuću 3D žiroidnu strukturu, s tisućama nanorazmjernih pora ispunjenih komponentama potrebnim za energiju skladištenje i dostava ”.
"Ovo je uistinu revolucionarna arhitektura baterija", rekao je Wiesner, čiji je članak grupe "Block Copolymer Derived 3D-Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Storage Energy Storage " objavljen 16. svibnja u časopisu Energy and Environmental Science, publikaciji Kraljevskog društva kemije.
"Ova trodimenzionalna arhitektura u osnovi uklanja sve gubitke zbog mrtvog volumena na vašem uređaju", rekao je Wiesner. “Što je još važnije, smanjenje dimenzija ovih međusobno probijenih domena do nanorazmjera, kao što smo to učinili, daje vam redove veličine veću gustoću snage. Drugim riječima, energiji možete pristupiti u mnogo kraćim vremenima nego što se to obično radi s konvencionalnim baterijama. "
Koliko je to brzo? Wiesner je rekao da će se, zbog dimenzija elemenata baterije svedenih na nanorazmjer, "do trenutka kad kabel utaknete u utičnicu, za nekoliko sekundi, možda i brže, baterija napuniti."
Koncept ove 3D-baterije temelji se na samostalnom sastavljanju blok-kopolimera, koji su koristili u drugim elektroničkim uređajima, uključujući žiroidnu solarnu ćeliju i žiroidni supravodič. Vodeći autor ovog djela, Joerg Werner eksperimentirao je sa samosastavljajućim filtracijskim membranama i pitao se može li se taj princip primijeniti na ugljične materijale za skladištenje energije.
Tanki žiroidni slojevi ugljika - anoda baterije, generirani samostalnim sastavljanjem blok-kopolimera - sadržavali su tisuće periodičnih pora veličine oko 40 nanometara. Daljnje premazivanje tih pora debljinom od 10 nanometara, koja je elektronički izolirana, ali je ionski vodljivi separator presvučen elektro-polimerizacijom, koja po samoj prirodi postupka stvara sloj za odvajanje bez rupa. Apsolutno ti kvarovi poput rupa u separatoru mogu dovesti do katastrofalnog neuspjeha što dovodi do požara na mobilnim uređajima poput mobitela i prijenosnih računala.
Prelazak na drugi korak, koji je dodavanje katodnog materijala. U tom slučaju dodajte Sumpor u odgovarajućoj količini koja ne ispunjava sasvim ostatak pora. Ali sumpor može prihvatiti elektrone, ali ne provodi električnu energiju. Posljednji je korak zasipanje polimerom koji elektronički vodi, poznat kao PEDOT (poli).
Iako ova arhitektura nudi dokaz koncepta, rekao je Wiesner, nije bez izazova. Promjene glasnoće tijekom pražnjenja i punjenja baterije postupno degradiraju PEDOT-ov kolektor naboja, koji ne doživljava širenje volumena poput sumpora.
"Kad se sumpor proširi", rekao je Wiesner, "imate te male komadiće polimera koji se rastrgnu, a zatim se ne poveže kad se opet smanji. To znači da postoje dijelovi 3D baterije kojima tada ne možete pristupiti. "
Tim još uvijek pokušava usavršiti tehniku, ali se prijavio za zaštitu pacijenta na provjeri koncepta. Rad je podržao Centar za energetske materijale u Cornellu, a financirali su ga američko Ministarstvo energetike kao i Nacionalna zaklada za znanost.