世界是一個(gè)很大的地方，但隨著技術(shù)的出現(xiàn)，這個(gè)世界變得越來越小，這些技術(shù)讓全球各地的人們掌握在手中。隨著世界的萎縮，它還要求事情發(fā)生得更快 - 包括為電子設(shè)備充電所需的時(shí)間。

由康奈爾大學(xué)工程學(xué)教授Ulrich Wiesner領(lǐng)導(dǎo)的跨校園合作通過一種新型儲(chǔ)能設(shè)備架構(gòu)解決了這一需求，該架構(gòu)具有快速閃電的潛力。

該集團(tuán)的想法：不是將電池的陽極和陰極放在非導(dǎo)電分離器的任何一側(cè)，而是將組件交織在一個(gè)自組裝的3D螺旋結(jié)構(gòu)中，其中數(shù)千納米級(jí)的孔隙充滿了能量儲(chǔ)存和輸送所需的元素。

“這確實(shí)是一種革命性的電池架構(gòu)，”Wiesner說，他的小組論文“塊狀共聚物衍生的三維互穿多功能Gyroidal Nanohybrid用于電能儲(chǔ)存”于5月16日發(fā)表在“ 能源與環(huán)境科學(xué)”雜志上，該雜志是英國皇家學(xué)會(huì)的出版物?；瘜W(xué)。

“這種三維架構(gòu)基本上消除了設(shè)備中死體積的所有損失，”Wiesner說。“更重要的是，正如我們所做的那樣，將這些互穿區(qū)域的尺寸縮小到納米尺度，可以為您提供更高的功率密度。換句話說，您可以在比傳統(tǒng)電池架構(gòu)通常更短的時(shí)間內(nèi)獲取能量。 “。這有多快?Wiesner說，由于電池元件的尺寸縮小到納米級(jí)，“當(dāng)你將電纜插入插座時(shí)，只需幾秒鐘，甚至更快，電池就會(huì)充電。”

該概念的結(jié)構(gòu)基于嵌段共聚物自組裝，Wiesner集團(tuán)多年來一直在其他設(shè)備中使用，包括螺旋形太陽能電池和螺旋形超導(dǎo)體。Joerg Werner，博士 '15，這項(xiàng)工作的主要作者，已經(jīng)嘗試了自組裝光子器件，并想知道是否可以將相同的原理應(yīng)用于碳材料用于儲(chǔ)能。

碳纖維的薄膜 - 電池的陽極，由嵌段共聚物自組裝產(chǎn)生 - 具有數(shù)千個(gè)40納米寬的周期性孔。然后通過電聚合用10nm厚的電子絕緣但離子導(dǎo)電的隔膜涂覆這些孔，這通過該方法的本質(zhì)產(chǎn)生無針孔的分離層。

這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榉蛛x器中的孔等缺陷會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障，從而導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)和筆記本電腦)發(fā)生火災(zāi)。

下一步是添加陰極材料 - 在這種情況下為硫 - 其量不足以填充剩余的孔。由于硫可以接受電子但不導(dǎo)電，最后一步是用電子導(dǎo)電聚合物回填 - 稱為PEDOT(聚[3,4-亞乙二氧基噻吩])。

雖然這種架構(gòu)提供了概念驗(yàn)證，但Wiesner說，它并非沒有挑戰(zhàn)。在放電和對(duì)電池充電期間的體積變化逐漸降低PEDOT電荷收集器，其不經(jīng)歷硫的體積膨脹。

“當(dāng)硫磺膨脹時(shí)，”Wiesner說，“你有這些微小的聚合物被撕裂，然后當(dāng)它再次收縮時(shí)它不再重新連接。這意味著你有一些3D電池?zé)o法訪問。 “