Группа исследователей Корнельского университета во главе с Ульрихом Визнером, профессором инженерии Спенсера Т. Олина факультета материаловедения и инженерии, обращается к вопросу о батареях, которые обладают потенциалом молниеносной зарядки.
Идея, лежащая в основе этой технологии: «Вместо того, чтобы располагать анод и катод батарей по обе стороны от непроводящего сепаратора, переплетите компоненты в самособирающуюся трехмерную гироидную структуру с тысячами наноразмерных пор, заполненных компонентами, необходимыми для получения энергии. хранение и доставка ».
«Это поистине революционная архитектура батареи», - сказал Визнер, чья статья группы «Блок-сополимер, полученный из трехмерного взаимопроникающего многофункционального гироидального наногибрида для хранения электрической энергии » была опубликована 16 мая в журнале Energy and Environmental Science, издании Королевского общества химии.
«Эта трехмерная архитектура в основном устраняет все потери из-за мертвого объема в вашем устройстве», - сказал Визнер. «Что еще более важно, уменьшение размеров этих взаимопроникающих доменов до наномасштаба, как мы это сделали, дает вам на порядки более высокую плотность мощности. Другими словами, вы можете получить доступ к энергии в гораздо более короткие сроки, чем это обычно делается с традиционными архитектурами батарей ».
Насколько это быстро? Визнер сказал, что из-за того, что размеры элементов батареи уменьшились до наномасштаба, «к тому времени, когда вы вставите кабель в розетку, за секунды, возможно, даже быстрее, батарея будет заряжена».
Концепция этой 3D-батареи основана на самосборке блок-сополимера, которую они использовали для использования в других электронных устройствах, включая гироидный солнечный элемент и гироидный сверхпроводник. Ведущий автор этой работы Йорг Вернер экспериментировал с самособирающимися фильтрационными мембранами и задался вопросом, можно ли применить этот принцип к углеродным материалам для хранения энергии.
Гироидные тонкие углеродные пленки - анод батареи, образованные в результате самосборки блок-сополимера - имели тысячи периодических пор шириной порядка 40 нанометров. Дальнейшее покрытие этих пор слоем толщиной 10 нанометров, которое имеет электронную изоляцию, но ионопроводящий сепаратор был покрыт посредством электрополимеризации, которая по самой природе процесса дает разделительный слой без микроотверстий. И такие дефекты, как дыры в сепараторе, могут привести к катастрофическому отказу и возникновению пожара в мобильных устройствах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки.
Переходим ко второму этапу, который представляет собой добавление катодного материала. В этом случае добавьте серу в соответствующем количестве, которое не полностью заполняет оставшиеся поры. Но сера может принимать электроны, но не проводит электричество. Последним этапом является засыпка электронопроводящим полимером, известным как PEDOT (поли).
По словам Визнера, хотя эта архитектура является доказательством правильности концепции, она не лишена проблем. Изменения объема во время разрядки и зарядки аккумулятора постепенно ухудшают коллектор заряда PEDOT, который не испытывает такого объемного расширения, как сера.
«Когда сера расширяется, - сказал Визнер, - у вас есть эти маленькие кусочки полимера, которые разрываются на части, а затем они не соединяются снова, когда снова сжимаются. Это означает, что есть части 3D-батареи, к которым вы не можете получить доступ ».
Команда все еще пытается усовершенствовать эту технику, но применила для защиты пациентов при проверке концепции. Работа была поддержана Центром энергетических материалов CORNELL и профинансирована Министерством энергетики США, а также Национальным научным фондом.