Команда дослідників з Корнельського університету на чолі з Ульріхом Віснером, професором інженерних наук Спенсера Т. Оліна в Департаменті матеріалознавства та техніки, займається потребою в акумуляторі, який має потенціал швидких блискавичних зарядів.
Ідея цієї технології: «Замість того, щоб анод та катод акумуляторів були по обидва боки непровідного сепаратора, переплітайте компоненти в самоскладаючійся 3D-гіроїдальній структурі з тисячами нанорозмірних пір, заповнених компонентами, необхідними для енергії зберігання та доставка ”.
"Це справді революційна архітектура акумуляторів", - сказав Віснер, стаття якої "Блок-сополімер, отриманий 3-D взаємопроникним багатофункціональним гіроїдальним наногібридом для зберігання електричної енергії ", була опублікована 16 травня у виданні Королівського товариства з питань енергетики та навколишнього середовища хімії.
"Ця тривимірна архітектура в основному усуває всі втрати від мертвих обсягів у вашому пристрої", - сказав Віснер. «Що ще важливіше, зменшення розмірів цих взаємопроникних доменів до наномасштабу, як ми це зробили, дає на порядок вищу щільність потужності. Іншими словами, ви можете отримати доступ до енергії за набагато коротший час, ніж це зазвичай робиться із звичайними архітектурами батарей ».
Як швидко це? Віснер заявив, що через зменшення розмірів елементів батареї до наномасштабу, "до моменту, коли ви вкладете кабель у розетку, за лічені секунди, можливо, навіть швидше, акумулятор зарядиться".
Концепція цієї 3D-батареї заснована на самозбірці блок-сополімерів, яку вони використовували в інших електронних пристроях, включаючи гіроїдальний сонячний елемент та гіроїдальний надпровідник. Провідний автор цієї роботи Йорг Вернер експериментував із самозбірними фільтрувальними мембранами та гадав, чи можна застосовувати цей принцип до вуглецевих матеріалів для накопичення енергії.
Тонкі гіроїдальні плівки вуглецю - анод акумулятора, що утворюється в результаті самостійного складання блок-сополімерів - містять тисячі періодичних пор розміром близько 40 нанометрів. Подальше покриття цих пір товщиною 10 нанометрів, яка має електронну ізоляцію, але іонопровідний сепаратор, було покрито електрополімеризацією, яка за самою природою процесу утворює розділочний шар, що не має отворів. І абсолютно ці дефекти, як отвори в сепараторі, можуть призвести до катастрофічного збою, що спричинить пожежу на мобільних пристроях, таких як мобільні телефони та ноутбуки.
Перехід до другого кроку, який є додаванням катодного матеріалу. У цьому випадку додайте Сірку у відповідній кількості, яка не повністю заповнює решту пор. Але сірка може приймати електрони, але не проводить електрику. Завершальним етапом є засипка електронно-провідним полімером, відомим як PEDOT (полі).
Незважаючи на те, що ця архітектура пропонує доказ концепції, сказав Віснер, це не без проблем. Зміни гучності під час розрядки та зарядки акумулятора поступово погіршують колектор заряду PEDOT, який не відчуває збільшення обсягу, як це відбувається за рахунок сірки.
«Коли сірка розширюється, - сказав Віснер, - у вас є ці дрібні шматочки полімеру, які роздираються, і тоді вона не підключається, коли вона знову скорочується. Це означає, що є частини 3D-батареї, до яких ви потім не зможете отримати доступ ”.
Команда все ще намагається вдосконалити цю техніку, але застосувала для захисту пацієнта роботу з доведення концепції. Робота була підтримана Центром енергетичних матеріалів при КОРНЕЛЛІ та профінансована Міністерством енергетики США, а також Національним науковим фондом.