Het onderzoeksteam aan de Cornell University onder leiding van Ulrich Wiesner, de Spencer T. Olin hoogleraar Engineering bij de afdeling Materials Science and Engineering, richt zich op de vraag naar een batterij die het potentieel heeft om bliksemsnel op te laden.
Idee achter deze technologie: “In plaats van de anode en kathode van de batterijen aan weerszijden van een niet-geleidende separator te hebben, verstrengelt u de componenten in een zelfassemblerende 3D-gyroïde structuur, met duizenden poriën op nanoschaal gevuld met de componenten die nodig zijn voor energie opslag en levering ”.
"Dit is echt een revolutionaire batterijarchitectuur", zei Wiesner, wiens groepsdocument "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage " op 16 mei werd gepubliceerd in Energy and Environmental Science, een publicatie van de Royal Society van Chemie.
"Deze driedimensionale architectuur elimineert in feite alle verliezen als gevolg van dood volume in uw apparaat", zei Wiesner. “Wat nog belangrijker is, het verkleinen van de afmetingen van deze onderling doordringende domeinen tot op nanoschaal, zoals wij deden, geeft je ordes van grootte een hogere vermogensdichtheid. Met andere woorden, je hebt in veel kortere tijden toegang tot de energie dan normaal wordt gedaan met conventionele batterijarchitecturen. "
Hoe snel is dat? Wiesner zei dat, als gevolg van de afmetingen van de elementen van de batterij die tot op nanoschaal worden verkleind, "tegen de tijd dat je je kabel in het stopcontact steekt, in seconden, misschien zelfs sneller, de batterij zou zijn opgeladen."
Het concept van deze 3D-batterij is gebaseerd op zelfassemblage van blokcopolymeren, die ze vroeger gebruikten in andere elektronische apparaten, waaronder een gyroïde zonnecel en een gyroïde supergeleider. Hoofdauteur van dit werk, Joerg Werner, experimenteerde met zelfassemblerende filtratiemembranen en vroeg zich af of dat principe kon worden toegepast op koolstofmaterialen voor energieopslag.
De gyroïde dunne koolstoffilms - de anode van de batterij, gegenereerd door zelfassemblage van blokcopolymeren - bevatten duizenden periodieke poriën in de orde van grootte van 40 nanometer. Verder bekleden deze poriën met een 10 nanometer dikke, die elektronisch is geïsoleerd, maar ionengeleidende scheider werd bekleed door middel van elektropolymerisatie, die door de aard van het proces een speldengaatje-vrije scheidingslaag produceert. En absoluut kunnen deze defecten, zoals gaten in de afscheider, leiden tot een catastrofale storing, wat kan leiden tot brand in mobiele apparaten zoals mobiele telefoons en laptops.
De overgang naar de tweede stap, een toevoeging van kathodemateriaal. Voeg in dit geval zwavel toe in een geschikte hoeveelheid die de rest van de poriën niet helemaal vult. Maar zwavel kan elektronen accepteren, maar geleidt geen elektriciteit. De laatste stap is het opvullen met een elektronisch geleidend polymeer, bekend als PEDOT (poly).
Hoewel deze architectuur een proof of concept biedt, zei Wiesner, is het niet zonder uitdagingen. Veranderingen in het volume tijdens het ontladen en opladen van de batterij verslechteren geleidelijk de PEDOT-laadcollector, die niet de volume-expansie ervaart die zwavel doet.
'Als de zwavel uitzet,' zei Wiesner, 'heb je deze kleine stukjes polymeer die uit elkaar worden gescheurd, en dan sluit het niet opnieuw aan als het weer krimpt. Dit betekent dat er stukjes van de 3D-batterij zijn waar je dan geen toegang toe hebt. "
Het team probeert nog steeds de techniek te perfectioneren, maar heeft de patiëntbescherming aangevraagd bij het proof-of-concept-werk. Het werk werd ondersteund door Energy Material Center op CORNELL en gefinancierd door het Amerikaanse Department of Energy en de National Science Foundation.