L’equip d’investigadors de la Universitat de Cornell dirigit per Ulrich Wiesner, el professor d’enginyeria Spencer T. Olin del Departament de Ciència i Enginyeria de Materials, tracta la demanda d’una bateria que pot carregar-se ràpidament.
Idea darrere d’aquesta tecnologia: “En lloc de tenir l’ànode i el càtode de les bateries a banda i banda d’un separador no conductor, entrellaça els components en una estructura giroidal 3D autoassemblable, amb milers de porus a escala nanomplenuts dels components necessaris per a l’energia emmagatzematge i lliurament ”.
"Aquesta és realment una arquitectura de bateria revolucionària", va dir Wiesner, que va publicar el document del grup "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ", que es va publicar el 16 de maig a Energy and Environmental Science, una publicació de la Royal Society de Química.
"Aquesta arquitectura tridimensional elimina bàsicament totes les pèrdues de volum mort al dispositiu", va dir Wiesner. “El que és més important, reduir les dimensions d’aquests dominis interpenetrats fins a la nanoescala, com hem fet, us dóna ordres de densitat de potència de magnitud més alta. En altres paraules, podeu accedir a l’energia en temps molt més curts que el que es fa habitualment amb arquitectures de bateries convencionals ”.
Quina velocitat té això? Wiesner va dir que, a causa de les dimensions dels elements de la bateria reduïts fins a la nanoescala, "en el moment de posar el cable a la presa, en qüestió de segons, potser encara més ràpid, la bateria es carregaria".
El concepte d’aquesta bateria 3D es basa en l’autoensamblatge de copolímers de blocs, que solien emprar en altres dispositius electrònics, que inclou una cèl·lula solar giroïdal i un superconductor giroïdal. L’autor principal d’aquest treball, Joerg Werner, va experimentar amb membranes de filtració autoassemblants i es va preguntar si aquest principi es podria aplicar als materials de carboni per emmagatzemar energia.
Les pel·lícules primes de carboni giroïdals, l’ànode de la bateria, generat per l’autoensamblatge de copolímers en bloc, presentaven milers de porus periòdics de l’ordre de 40 nanòmetres d’amplada. Es recobren més aquests porus amb un gruix de 10 nanòmetres, que està aïllat electrònicament, però el separador conductor d’ions es va recobrir mitjançant electro-polimerització, que per la pròpia naturalesa del procés produeix una capa de separació lliure de forats. I, absolutament, aquests defectes, com ara els forats del separador, poden provocar un fracàs catastròfic que dóna lloc a incendis en dispositius mòbils com ara telèfons mòbils i ordinadors portàtils.
El pas al segon pas, que és una addició de material de càtode. En aquest cas, afegiu sofre en una quantitat adequada que no acabi d’omplir la resta de porus. Però el sofre pot acceptar electrons però no condueix electricitat. L'últim pas és omplir de nou amb un polímer conductor electrònic, conegut com a PEDOT (poli).
Tot i que aquesta arquitectura ofereix proves de concepte, va dir Wiesner, no està exempta de reptes. Els canvis de volum durant la descàrrega i la càrrega de la bateria degraden gradualment el col·lector de càrrega PEDOT, que no experimenta l’expansió de volum que fa el sofre.
"Quan el sofre s'expandeix", va dir Wiesner, "teniu aquests petits trossos de polímer que es trenquen, i després no es torna a connectar quan es redueix de nou. Això vol dir que hi ha peces de la bateria 3D a les quals no podeu accedir ".
L’equip continua intentant perfeccionar la tècnica, però va sol·licitar la protecció del pacient en el treball de prova de concepte. El treball va rebre el suport del Energy Material Center de CORNELL i va ser finançat pel Departament d’Energia dels Estats Units i la National Science Foundation.