Selvmonteret 3D-batteri oplades på få sekunder

Verden er et stort sted, men det er blevet mindre med fremkomsten af ​​teknologier, der sætter mennesker fra hele verden i håndfladen. Og som verden er skrumpet, det har også krævet, at tingene sker stadigt hurtigere - herunder den tid, det tager at oplade en elektronisk enhed.

Et samarbejde på tværs af campus ledet af Ulrich Wiesner, professor i teknik ved Cornell University, imødekommer dette krav med en ny arkitektur til energilagringsenheder, der har potentiale til lynhurtige opladninger.

Gruppens idé:I stedet for at have batteriernes anode og katode på hver side af en ikke -ledende separator, sammenflette komponenterne i en selvsamling, 3D-gyroidestruktur, med tusindvis af nanoskala porer fyldt med de elementer, der er nødvendige for energilagring og levering.

"Dette er virkelig en revolutionerende batteriarkitektur, sagde Wiesner, hvis gruppes papir, "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for elektrisk energilagring, "blev udgivet 16. maj i Energi- og miljøvidenskab , en publikation af Royal Society of Chemistry.

"Denne tredimensionelle arkitektur eliminerer dybest set alle tab på grund af død volumen i din enhed, "Wiesner sagde." Endnu vigtigere, formindskelse af disse interpenetrerede domænes dimensioner ned til nanoskalaen, som vi gjorde, giver dig størrelsesordener højere effekttæthed. Med andre ord, du kan få adgang til energien på meget kortere tid, end hvad der normalt gøres med konventionelle batteriarkitekturer. "Hvor hurtigt er det? Wiesner sagde, at på grund af dimensioner af batteriets elementer, der er krympet ned til nanoskalaen, "da du satte dit kabel i stikkontakten, på sekunder, måske endnu hurtigere, batteriet ville blive opladet. "

Arkitekturen for dette koncept er baseret på blokcopolymer selvmontering, som Wiesner -gruppen har brugt i årevis i andre enheder, herunder en gyroidal solcelle og en gyroidal superleder. Joerg Werner, Ph.d. '15, hovedforfatter på dette værk, havde eksperimenteret med selvsamlende fotoniske enheder, og spekulerede på, om de samme principper kunne anvendes på kulstofmaterialer til energilagring.

De gyroidale tynde film af kulstof - batteriets anode, genereret ved blokcopolymer selvsamling-indeholdt tusinder af periodiske porer i størrelsesordenen 40 nanometer brede. Disse porer blev derefter overtrukket med en 10 nm tyk, elektronisk isolerende, men ionledende separator gennem elektropolymerisering, som i sagens natur frembragte et pinhole-frit separationslag.

Det er vigtigt, da fejl som huller i separatoren er det, der kan føre til katastrofale fejl, der kan forårsage brand i mobile enheder som mobiltelefoner og bærbare computere.

Det næste trin er tilføjelse af katodematerialet - i dette tilfælde, svovl - i en mængde, der ikke helt fylder resten af ​​porerne. Da svovl kan acceptere elektroner, men ikke leder elektricitet, det sidste trin er genopfyldning med en elektronisk ledende polymer - kendt som PEDOT (poly [3, 4-ethylendioxythiophen]).

Selvom denne arkitektur giver bevis på koncept, Wiesner sagde, det er ikke uden udfordringer. Lydstyrkeændringer under afladning og opladning af batteriet forringer gradvist PEDOT -opladeren, som ikke oplever den volumenudvidelse, som svovl gør.

"Når svovlet ekspanderer, "Wiesner sagde, "du har disse små stykker polymer, der bliver revet fra hinanden, og så opretter den ikke forbindelse igen, når den krymper igen. Det betyder, at der er stykker af 3D-batteriet, som du så ikke kan få adgang til. "

Gruppen perfekterer stadig teknikken, men ansøgte om patentbeskyttelse på proof-of-concept-arbejdet.