コーネル大学の研究者チームは、材料科学工学科のスペンサーT.オーリン工学教授であるUlrich Wiesnerが率い、超高速充電の可能性があるバッテリーの需要に対応しています。
この技術の背後にある考え方：「非導電性セパレーターの両側にバッテリーのアノードとカソードを配置する代わりに、エネルギーに必要なコンポーネントで満たされた数千のナノスケールの細孔を備えた、自己組織化3Dジャイロイダル構造でコンポーネントを絡み合わせます保管と配送」。
「これは本当に革新的なバッテリーアーキテクチャです」と、そのグループの論文「電気エネルギー貯蔵用のブロック共重合体由来の3D相互貫入多機能ジャイロイダルナノハイブリッド」が5月16日に英国王立化学会の出版物であるEnergy and EnvironmentalScienceに掲載されました。化学の。
「この3次元アーキテクチャは、基本的に、デバイスのデッドボリュームによるすべての損失を排除します」とWiesner氏は述べています。「さらに重要なことは、これらの相互貫入ドメインの寸法を、私たちが行ったようにナノスケールまで縮小すると、電力密度が桁違いに高くなることです。言い換えれば、従来のバッテリーアーキテクチャで通常行われているよりもはるかに短い時間でエネルギーにアクセスできます。」
それはどれくらい速いですか？ヴィースナー氏は、バッテリーの要素の寸法がナノスケールに縮小されているため、「ケーブルをソケットに挿入するまでに、数秒で、おそらくさらに速く、バッテリーが充電される」と述べた。
この3Dバッテリーのコンセプトは、ブロック共重合体の自己組織化に基づいており、ジャイロイダル太陽電池やジャイロイダル超伝導体などの他の電子機器で使用されていました。この作品の筆頭著者であるJoergWernerは、自己組織化ろ過膜を実験し、その原理をエネルギー貯蔵用の炭素材料に適用できるかどうか疑問に思いました。
ブロック共重合体の自己組織化によって生成されたバッテリーのアノードである炭素のジャイロイダル薄膜は、幅40ナノメートルのオーダーの数千の周期的な細孔を特徴としていました。これらの細孔をさらに10ナノメートルの厚さでコーティングします。これは電子的に絶縁されていますが、イオン伝導性セパレーターは電解重合によってコーティングされており、プロセスの性質上、ピンホールのない分離層が生成されます。そして、セパレーターの穴のような絶対にこれらの欠陥は、携帯電話やラップトップなどのモバイルデバイスで火災を引き起こす壊滅的な障害につながる可能性があります。
カソード材料の追加である2番目のステップへの移行。この場合、残りの細孔を完全に満たしていない適切な量の硫黄を追加します。しかし、硫黄は電子を受け入れることができますが、電気を通しません。最後のステップは、PEDOT（ポリ）として知られる導電性ポリマーを埋め戻すことです。
このアーキテクチャは概念実証を提供しますが、Wiesner氏によると、課題がないわけではありません。バッテリーの放電および充電中の体積変化は、硫黄のような体積膨張を経験しないPEDOT充電コレクターを徐々に劣化させます。
「硫黄が膨張すると、ポリマーのこれらの小さな断片が裂けてしまい、再び収縮しても再接続しません。」とヴィースナーは言いました。これは、3Dバッテリーの一部にアクセスできないことを意味します。」
チームはまだ技術を完成させようとしていますが、概念実証作業で患者の保護を申請しました。この作業は、コーネル大学のエネルギー材料センターによってサポートされ、米国エネルギー省と全米科学財団によって資金提供されました。