Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Cornell με επικεφαλής τον Ulrich Wiesner, τον καθηγητή Μηχανικής του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής του Spencer T. Olin, αντιμετωπίζει τη ζήτηση μιας μπαταρίας που έχει τη δυνατότητα γρήγορης φόρτισης.
Ιδέα πίσω από αυτήν την τεχνολογία: «Αντί να έχουμε την άνοδο και την κάθοδο των μπαταριών και στις δύο πλευρές ενός μη αγώγιμου διαχωριστή, συνδέστε τα εξαρτήματα σε μια αυτοσυναρμολογημένη τρισδιάστατη γυροειδή δομή, με χιλιάδες πόρους νανοκλίμακας γεμάτους με τα απαραίτητα συστατικά για ενέργεια αποθήκευση και παράδοση ».
«Αυτό είναι πραγματικά μια επαναστατική αρχιτεκτονική μπαταρίας», δήλωσε ο Wiesner, του οποίου το έγγραφο της ομάδας, «Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage », δημοσιεύθηκε στις 16 Μαΐου στο Energy and Environmental Science, μια έκδοση της Royal Society της χημείας.
"Αυτή η τρισδιάστατη αρχιτεκτονική ουσιαστικά εξαλείφει όλες τις απώλειες από το νεκρό όγκο στη συσκευή σας", δήλωσε ο Wiesner. «Το πιο σημαντικό, η συρρίκνωση των διαστάσεων αυτών των αλληλοδιεισδυτικών τομέων μέχρι τη νανοκλίμακα, όπως κάναμε, σας δίνει παραγγελίες μεγέθους υψηλότερης πυκνότητας ισχύος. Με άλλα λόγια, μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση στην ενέργεια σε πολύ μικρότερους χρόνους από ό, τι συνήθως γίνεται με συμβατικές αρχιτεκτονικές μπαταριών. "
Πόσο γρήγορα είναι αυτό; Ο Wiesner είπε ότι, λόγω του ότι οι διαστάσεις των στοιχείων της μπαταρίας συρρικνώνονται στη νανοκλίμακα, «τη στιγμή που βάζετε το καλώδιο στην πρίζα, σε δευτερόλεπτα, ίσως ακόμη πιο γρήγορα, η μπαταρία θα φορτιστεί».
Αυτή η ιδέα της τρισδιάστατης μπαταρίας βασίζεται σε αυτοσυναρμολόγηση μπλοκ συμπολυμερούς, την οποία χρησιμοποιούσαν σε άλλες ηλεκτρονικές συσκευές, περιλαμβάνει ένα γυροειδές ηλιακό κελί και έναν γυροειδικό υπεραγωγό. Ο επικεφαλής συγγραφέας αυτού του έργου, ο Joerg Werner πειραματίστηκε με αυτοσυναρμολογούμενες μεμβράνες φιλτραρίσματος και αναρωτήθηκε αν αυτή η αρχή θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε υλικά άνθρακα για αποθήκευση ενέργειας.
Οι γυροειδείς λεπτές μεμβράνες άνθρακα - η άνοδος της μπαταρίας, που δημιουργήθηκε από αυτοσυναρμολόγηση μπλοκ συμπολυμερούς - παρουσίασαν χιλιάδες περιοδικούς πόρους της τάξης των 40 νανομέτρων πλάτους. Περαιτέρω επικάλυψη αυτών των πόρων με πάχος 10 νανομέτρων, το οποίο είναι ηλεκτρονικά μονωμένο αλλά ο διαχωριστής που οδηγεί σε ιόντα επικαλύφθηκε μέσω ηλεκτρο-πολυμερισμού, ο οποίος από την ίδια τη φύση της διαδικασίας παράγει ένα στρώμα διαχωρισμού χωρίς οπές. Και, απολύτως αυτά τα ελαττώματα, όπως οι τρύπες στο διαχωριστικό, μπορούν να οδηγήσουν σε καταστροφική αποτυχία που προκαλεί πυρκαγιές σε κινητές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές.
Η μετάβαση στο δεύτερο βήμα, που είναι προσθήκη υλικού καθόδου. Σε αυτήν την περίπτωση, προσθέστε το θείο σε κατάλληλη ποσότητα που δεν γεμίζει αρκετά τους υπόλοιπους πόρους. Όμως, το θείο μπορεί να δεχτεί ηλεκτρόνια, αλλά δεν μεταφέρει ηλεκτρισμό. Το τελικό βήμα είναι η συμπλήρωση με ένα ηλεκτρονικά αγώγιμο πολυμερές, γνωστό ως PEDOT (poly).
Ενώ αυτή η αρχιτεκτονική προσφέρει απόδειξη της έννοιας, είπε ο Wiesner, δεν είναι χωρίς προκλήσεις. Η ένταση αλλάζει κατά την αποφόρτιση και φόρτιση της μπαταρίας υποβαθμίζει σταδιακά τον συλλέκτη φόρτισης PEDOT, ο οποίος δεν αντιμετωπίζει την επέκταση του όγκου που κάνει το θείο.
«Όταν το θείο διαστέλλεται», είπε ο Wiesner, «έχετε αυτά τα μικρά κομμάτια πολυμερούς που διαλύονται και στη συνέχεια δεν επανασυνδέεται όταν συρρικνωθεί ξανά. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν κομμάτια της μπαταρίας 3D στα οποία δεν μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση. "
Η ομάδα εξακολουθεί να προσπαθεί να τελειοποιήσει την τεχνική αλλά υπέβαλε αίτηση για την προστασία του ασθενούς στο έργο απόδειξης της έννοιας. Το έργο υποστηρίχθηκε από το Κέντρο Ενεργειακού Υλικού στο CORNELL και χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ καθώς και από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.