Il mondo è un posto grande, ma è diventato più piccolo con l'avvento delle tecnologie che mettono le persone di tutto il mondo nel palmo della propria mano. E mentre il mondo si è ridotto, ha anche richiesto che le cose accadano sempre più velocemente, compreso il tempo necessario per caricare un dispositivo elettronico.

Una collaborazione intercampus guidata da Ulrich Wiesner, professore di ingegneria alla Cornell University, risponde a questa richiesta con una nuova architettura del dispositivo di accumulo di energia che ha il potenziale per ricariche fulminee.

L'idea del gruppo:invece di avere l'anodo e il catodo delle batterie su entrambi i lati di un separatore non conduttore, intrecciare i componenti in modo autoassemblante, struttura giroscopica 3-D, con migliaia di pori su scala nanometrica riempiti con gli elementi necessari per l'immagazzinamento e la consegna di energia.

"Si tratta di un'architettura della batteria davvero rivoluzionaria, " ha detto Wiesner, la carta del cui gruppo, "Nanoibrido giroide multifunzionale interpenetrante derivato da copolimero a blocchi per l'accumulo di energia elettrica, " è stato pubblicato il 16 maggio in Scienze energetiche e ambientali , una pubblicazione della Royal Society of Chemistry.

"Questa architettura tridimensionale elimina sostanzialmente tutte le perdite dovute al volume morto nel tuo dispositivo, " ha detto Wiesner. "Ancora più importante, riducendo le dimensioni di questi domini compenetrati fino alla nanoscala, come abbiamo fatto noi, ti dà ordini di grandezza maggiore densità di potenza. In altre parole, puoi accedere all'energia in tempi molto più brevi rispetto a quanto avviene di solito con le architetture di batterie convenzionali. "Quanto è veloce? Wiesner ha detto che, a causa della riduzione delle dimensioni degli elementi della batteria alla nanoscala, "quando metti il ​​cavo nella presa, in secondi, forse anche più veloce, la batteria sarebbe carica."

L'architettura di questo concetto si basa sull'autoassemblaggio di copolimeri a blocchi, che il gruppo Wiesner impiega da anni in altri dispositivi, tra cui una cella solare giroroidale e un superconduttore giroroidale. Joerg Werner, dottorato di ricerca '15, autore principale di quest'opera, aveva sperimentato dispositivi fotonici autoassemblanti, e si chiedeva se gli stessi principi potessero essere applicati ai materiali in carbonio per lo stoccaggio dell'energia.

Le sottili pellicole giroroidali di carbonio:l'anodo della batteria, generato dall'autoassemblaggio del copolimero a blocchi, caratterizzato da migliaia di pori periodici dell'ordine di 40 nanometri di larghezza. Questi pori sono stati poi rivestiti con uno spessore di 10 nm, separatore elettronicamente isolante ma conduttore di ioni tramite elettropolimerizzazione, che per la natura stessa del processo ha prodotto uno strato di separazione privo di fori di spillo.

questo è vitale, poiché difetti come i fori nel separatore sono ciò che può portare a guasti catastrofici che danno origine a incendi in dispositivi mobili come telefoni cellulari e laptop.

Il passo successivo è l'aggiunta del materiale del catodo, in questo caso, zolfo, in una quantità che non riempie del tutto il resto dei pori. Poiché lo zolfo può accettare elettroni ma non conduce elettricità, il passaggio finale è il riempimento con un polimero a conduzione elettronica, noto come PEDOT (poly[3, 4-etilendiossitiofene]).

Mentre questa architettura offre la prova del concetto, Wiesner ha detto, non è senza sfide. Le variazioni di volume durante la scarica e la carica della batteria degradano gradualmente il collettore di carica PEDOT, che non subisce l'espansione di volume che fa lo zolfo.

"Quando lo zolfo si espande, " Wiesner ha detto "hai questi pezzetti di polimero che vengono fatti a pezzi, e poi non si riconnette quando si restringe di nuovo. Ciò significa che ci sono pezzi della batteria 3-D a cui non puoi accedere".

Il gruppo sta ancora perfezionando la tecnica, ma ha chiesto la protezione del brevetto sul lavoro di prova del concetto.