De batterijen in het laboratorium van professor Paul Braun in Illinois lijken op alle andere, maar ze pakken een verrassing in.

Braun's groep ontwikkelde een driedimensionale nanostructuur voor batterijkathoden die een dramatisch sneller opladen en ontladen mogelijk maakt zonder in te boeten aan energieopslagcapaciteit. De bevindingen van de onderzoekers zullen worden gepubliceerd in de online-editie van het tijdschrift op 20 maart Natuur Nanotechnologie.

Afgezien van snelladende consumentenelektronica, batterijen die veel energie kunnen opslaan, snel loslaten en snel opladen zijn wenselijk voor elektrische voertuigen, medische apparatuur, lasers en militaire toepassingen.

"Dit systeem dat we hebben geeft je condensator-achtige kracht met batterij-achtige energie, " zei Braun, een professor in materiaalkunde en techniek. "De meeste condensatoren slaan heel weinig energie op. Ze kunnen het heel snel afgeven, maar ze kunnen niet veel vasthouden. De meeste batterijen slaan redelijk veel energie op, maar ze kunnen niet snel energie leveren of ontvangen. Dit doet beide."

De prestaties van typische oplaadbare lithium-ion (Li-ion) of nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen nemen aanzienlijk af wanneer ze snel worden opgeladen of ontladen. Door het actieve materiaal in de batterij tot een dunne film te maken, kan zeer snel worden opgeladen en ontladen, maar vermindert de capaciteit tot bijna nul omdat het actieve materiaal geen volume heeft om energie op te slaan.

Braun's groep wikkelt een dunne film in een driedimensionale structuur, het bereiken van zowel een hoog actief volume (hoge capaciteit) als een grote stroom. Ze hebben batterij-elektroden gedemonstreerd die in een paar seconden kunnen opladen of ontladen, 10 tot 100 keer sneller dan gelijkwaardige bulkelektroden, maar kan normaal presteren in bestaande apparaten.

Dit soort prestaties kan ertoe leiden dat telefoons in seconden worden opgeladen of laptops die in minuten worden opgeladen, evenals krachtige lasers en defibrillators die geen tijd nodig hebben om voor of tussen pulsen in te schakelen.

Braun is bijzonder optimistisch over het potentieel van batterijen in elektrische voertuigen. De levensduur van de batterij en de oplaadtijd zijn belangrijke beperkingen van elektrische voertuigen. Langeafstandsritten kunnen hun eigen vorm van starten en stoppen zijn als de batterij maar 100 mijl meegaat en dan een uur nodig heeft om op te laden.

"Als je de mogelijkheid had om snel op te laden, in plaats van uren te doen om het voertuig op te laden, zou u mogelijk voertuigen kunnen hebben die in dezelfde tijd zouden opladen als nodig is om een ​​auto met benzine bij te tanken, "Zei Braun. "Als je vijf minuten oplaadtijd had, je zou hier op dezelfde manier aan denken als een verbrandingsmotor. Je zou gewoon naar een laadstation rijden en tanken."

Alle processen die de groep gebruikte, worden ook op grote schaal in de industrie gebruikt, zodat de techniek kan worden opgeschaald voor productie.

De sleutel tot de nieuwe 3D-structuur van de groep is zelfassemblage. Ze beginnen met het bekleden van een oppervlak met kleine bolletjes, ze stevig samenpakken om een ​​​​rooster te vormen. Op een andere manier proberen om zo'n uniform rooster te maken, is tijdrovend en onpraktisch, maar de goedkope bollen komen op hun plaats
automatisch.

Vervolgens vullen de onderzoekers de ruimte tussen en rond de bollen met metaal. De bollen zijn gesmolten of opgelost, het achterlaten van een poreuze 3D metalen steiger, als een spons. Volgende, een proces dat elektrolytisch polijsten wordt genoemd, etst uniform het oppervlak van de steiger weg om de poriën te vergroten en een open raamwerk te maken. Eindelijk, de onderzoekers bekleden het frame met een dunne film van het actieve materiaal.

Het resultaat is een bicontinue elektrodestructuur met kleine verbindingen, zodat de lithiumionen snel kunnen bewegen; een dunne-film actief materiaal, dus de diffusiekinetiek is snel; en een metalen frame met goede elektrische geleidbaarheid.

De groep demonstreerde zowel NiMH- als Li-ionbatterijen, maar de structuur is algemeen, dus elk batterijmateriaal dat op het metalen frame kan worden afgezet, kan worden gebruikt.

"We vinden het leuk dat het heel universeel is, dus als iemand met een betere batterijchemie komt, dit begrip is van toepassing, " zei Braun, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois. "Dit is niet gekoppeld aan één heel specifiek soort batterij, maar het is eerder een nieuw paradigma in het denken over een batterij in drie dimensies voor het verbeteren van eigenschappen."