Das Forscherteam der Cornell University unter der Leitung von Ulrich Wiesner, Professor für Ingenieurwissenschaften am Department of Materials Science and Engineering von Spencer T. Olin, befasst sich mit der Nachfrage nach einer Batterie, die das Potenzial hat, blitzschnell aufgeladen zu werden.
Idee hinter dieser Technologie: „Anstatt die Anode und Kathode der Batterien auf beiden Seiten eines nichtleitenden Separators zu haben, verflechten Sie die Komponenten in einer selbstorganisierenden 3D-Kreiselstruktur mit Tausenden von nanoskaligen Poren, die mit den für die Energie erforderlichen Komponenten gefüllt sind Lagerung und Lieferung “.
"Dies ist wirklich eine revolutionäre Batteriearchitektur", sagte Wiesner, dessen Artikel "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage " am 16. Mai in Energy and Environmental Science, einer Veröffentlichung der Royal Society, veröffentlicht wurde der Chemie.
"Diese dreidimensionale Architektur eliminiert im Grunde alle Verluste durch Totvolumen in Ihrem Gerät", sagte Wiesner. „Noch wichtiger ist, dass Sie durch Verkleinern der Dimensionen dieser interpenetrierten Domänen auf die Nanoskala wie wir eine um Größenordnungen höhere Leistungsdichte erzielen. Mit anderen Worten, Sie können in viel kürzeren Zeiten auf die Energie zugreifen, als dies bei herkömmlichen Batteriearchitekturen üblich ist. “
Wie schnell ist das Wiesner sagte, dass aufgrund der Abmessungen der Batterieelemente, die auf die Nanoskala verkleinert wurden, "die Batterie in Sekunden, vielleicht sogar noch schneller, aufgeladen werden würde, wenn Sie Ihr Kabel in die Steckdose stecken."
Das Konzept dieser 3D-Batterie basiert auf der Selbstorganisation von Blockcopolymeren, die in anderen elektronischen Geräten verwendet wurde, darunter eine gyroidale Solarzelle und ein gyroidaler Supraleiter. Der Hauptautor dieser Arbeit, Jörg Werner, experimentierte mit selbstorganisierenden Filtrationsmembranen und fragte sich, ob dieses Prinzip auf Kohlenstoffmaterialien zur Energiespeicherung angewendet werden könnte.
Die gyroidalen dünnen Kohlenstofffilme - die Anode der Batterie, die durch Selbstorganisation des Blockcopolymers erzeugt wurde - wiesen Tausende periodischer Poren in der Größenordnung von 40 Nanometern auf. Eine weitere Beschichtung dieser Poren mit einem 10 Nanometer dicken, elektronisch isolierten, aber ionenleitenden Separator wurde durch Elektropolymerisation beschichtet, die naturgemäß eine lochfreie Trennschicht erzeugt. Und absolut diese Defekte wie Löcher im Separator können zu einem katastrophalen Ausfall führen, der zu Bränden in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops führt.
Der Übergang zum zweiten Schritt, der eine Zugabe von Kathodenmaterial ist. In diesem Fall fügen Sie Schwefel in einer geeigneten Menge hinzu, die den Rest der Poren nicht vollständig ausfüllt. Schwefel kann zwar Elektronen aufnehmen, leitet aber keinen Strom. Der letzte Schritt ist das Verfüllen mit einem elektronisch leitenden Polymer, bekannt als PEDOT (Poly).
Diese Architektur biete zwar einen Proof of Concept, sei aber nicht ohne Herausforderungen. Volumenänderungen während des Entladens und Ladens des Akkus beeinträchtigen den PEDOT-Ladungskollektor allmählich, wodurch die Volumenausdehnung von Schwefel nicht auftritt.
„Wenn sich der Schwefel ausdehnt“, sagte Wiesner, „haben Sie diese kleinen Polymerstücke, die auseinandergerissen werden, und dann verbindet er sich nicht wieder, wenn er wieder schrumpft. Dies bedeutet, dass es Teile der 3D-Batterie gibt, auf die Sie dann nicht zugreifen können. “
Das Team versucht immer noch, die Technik zu perfektionieren, beantragte jedoch den Patientenschutz bei der Proof-of-Concept-Arbeit. Die Arbeit wurde vom Energy Material Center bei CORNELL unterstützt und vom US-Energieministerium sowie der National Science Foundation finanziert.