De wereld is een grote plaats, maar het is kleiner geworden met de komst van technologieën die mensen van over de hele wereld in de palm van je hand zetten. En terwijl de wereld is gekrompen, het heeft ook geëist dat dingen steeds sneller gaan, inclusief de tijd die nodig is om een ​​elektronisch apparaat op te laden.

Een campusoverschrijdende samenwerking onder leiding van Ulrich Wiesner, hoogleraar techniek aan de Cornell University, speelt in op deze vraag met een nieuwe architectuur voor energieopslagapparaten die bliksemsnel kan worden opgeladen.

Het idee van de groep:in plaats van de anode en kathode van de batterijen aan weerszijden van een niet-geleidende separator, verstrengelen de componenten in een zelfassemblerende, 3-D gyroïdale structuur, met duizenden poriën op nanoschaal gevuld met de elementen die nodig zijn voor energieopslag en -afgifte.

"Dit is echt een revolutionaire batterijarchitectuur, " zei Wiesner, wiens groepspapier, "Van blokcopolymeer afgeleide 3-D interpenetrerende multifunctionele gyroidale nanohybride voor opslag van elektrische energie, " werd op 16 mei gepubliceerd in Energie- en milieuwetenschappen , een publicatie van de Royal Society of Chemistry.

"Deze driedimensionale architectuur elimineert in feite alle verliezen door dood volume in uw apparaat, "Zei Wiesner. "Wat nog belangrijker is, het verkleinen van de afmetingen van deze verweven domeinen tot op nanoschaal, zoals wij deden, geeft u orden van grootte hogere vermogensdichtheid. Met andere woorden, je hebt toegang tot de energie in veel kortere tijden dan wat gewoonlijk wordt gedaan met conventionele batterij-architecturen. "Hoe snel is dat? Wiesner zei dat, doordat de afmetingen van de elementen van de batterij zijn verkleind tot op nanoschaal, "tegen de tijd dat u uw kabel in het stopcontact steekt, in seconden, misschien nog sneller, de batterij zou worden opgeladen."

De architectuur voor dit concept is gebaseerd op zelfassemblage van blokcopolymeer, die de Wiesner-groep al jaren in andere apparaten gebruikt, waaronder een gyroïdale zonnecel en een gyroidale supergeleider. Jörg Werner, doctoraat '15, hoofdauteur van dit werk, had geëxperimenteerd met zelfassemblerende fotonische apparaten, en vroeg zich af of dezelfde principes kunnen worden toegepast op koolstofmaterialen voor energieopslag.

De gyroïdale dunne films van koolstof - de anode van de batterij, gegenereerd door zelfassemblage van blokcopolymeer - gekenmerkt door duizenden periodieke poriën in de orde van 40 nanometer breed. Deze poriën werden vervolgens gecoat met een 10 nm dikke, elektronisch isolerende maar ionengeleidende scheider door middel van elektropolymerisatie, die door de aard van het proces een scheidingslaag zonder gaatjes produceerde.

Dat is van vitaal belang, aangezien defecten zoals gaten in de afscheider kunnen leiden tot catastrofale storingen die aanleiding kunnen geven tot branden in mobiele apparaten zoals mobiele telefoons en laptops.

De volgende stap is de toevoeging van het kathodemateriaal - in dit geval zwavel - in een hoeveelheid die de rest van de poriën niet helemaal vult. Aangezien zwavel wel elektronen kan opnemen maar geen elektriciteit geleidt, de laatste stap is het opvullen met een elektronisch geleidend polymeer, bekend als PEDOT (poly[3, 4-ethyleendioxythiofeen]).

Hoewel deze architectuur proof of concept biedt, Wiesner zei, het is niet zonder uitdagingen. Volumeveranderingen tijdens het ontladen en opladen van de batterij degraderen geleidelijk de PEDOT-laadcollector, die niet de volume-uitbreiding ervaart die zwavel doet.

"Als de zwavel uitzet, ' zei Wiesner, "je hebt van die kleine stukjes polymeer die uit elkaar worden gescheurd, en dan maakt het niet opnieuw verbinding wanneer het weer krimpt. Dit betekent dat er stukjes van de 3D-batterij zijn waar je dan niet bij kunt."

De groep is nog bezig met het perfectioneren van de techniek, maar vroeg octrooibescherming aan op het proof-of-concept-werk.