自组装3D电池可在几秒钟内充电

世界是一个很大的地方，但随着技术的出现，这个世界变得越来越小，这些技术让全球各地的人们掌握在手中。随着世界的萎缩，它还要求事情发生得更快 - 包括为电子设备充电所需的时间。

由康奈尔大学工程学教授Ulrich Wiesner领导的跨校园合作通过一种新型储能设备架构解决了这一需求，该架构具有快速闪电的潜力。

该集团的想法：不是将电池的阳极和阴极放在非导电分离器的任何一侧，而是将组件交织在一个自组装的3D螺旋结构中，其中数千纳米级的孔隙充满了能量储存和输送所需的元素。

“这确实是一种革命性的电池架构，”Wiesner说，他的小组论文“块状共聚物衍生的3-D互穿多功能Gyroidal Nanohybrid用于电能存储”于5月16日发表在能源与环境科学杂志上。，该杂志是英国皇家学会的出版物。化学。

“这种三维架构基本上消除了设备中死体积的所有损失，”Wiesner说。“更重要的是，正如我们所做的那样，将这些互穿区域的尺寸缩小到纳米尺度，可以为您提供更高的功率密度。换句话说，您可以在比传统电池架构通常更短的时间内获取能量。 “。这有多快?Wiesner说，由于电池元件的尺寸缩小到纳米级，“当你将电缆插入插座时，只需几秒钟，甚至更快，电池就会充电。”

该概念的结构基于嵌段共聚物自组装，Wiesner集团多年来一直在其他设备中使用，包括螺旋形太阳能电池和螺旋形超导体。Joerg Werner，博士 '15，这项工作的主要作者，已经尝试了自组装光子器件，并想知道是否可以将相同的原理应用于碳材料用于储能。

碳纤维的薄膜 - 电池的阳极，由嵌段共聚物自组装产生 - 具有数千个40纳米宽的周期性孔。然后通过电聚合用10nm厚的电子绝缘但离子导电的隔膜涂覆这些孔，这通过该方法的本质产生无针孔的分离层。

这一点至关重要，因为分离器中的孔等缺陷会导致灾难性故障，从而导致移动设备(如手机和笔记本电脑)发生火灾。

下一步是添加阴极材料 - 在这种情况下为硫 - 其量不足以填充剩余的孔。由于硫可以接受电子但不导电，最后一步是用电子导电聚合物回填 - 称为PEDOT(聚[3,4-亚乙二氧基噻吩])。

虽然这种架构提供了概念验证，但Wiesner说，它并非没有挑战。在放电和对电池充电期间的体积变化逐渐降低PEDOT电荷收集器，其不经历硫的体积膨胀。

“当硫磺膨胀时，”Wiesner说，“你有这些微小的聚合物被撕裂，然后当它再次收缩时它不再重新连接。这意味着你有一些3D电池无法访问。 “

该小组仍在完善该技术，但在概念验证工作中申请了专利保护。