Le batterie nel laboratorio del professore dell'Illinois Paul Braun sembrano come tutte le altre, ma racchiudono una sorpresa all'interno.

Il gruppo di Braun ha sviluppato una nanostruttura tridimensionale per i catodi delle batterie che consente una carica e una scarica notevolmente più veloci senza sacrificare la capacità di accumulo di energia. I risultati dei ricercatori saranno pubblicati nell'edizione online anticipata della rivista del 20 marzo Nanotecnologia della natura.

Oltre all'elettronica di consumo a ricarica rapida, batterie che possono immagazzinare molta energia, rilasciarlo velocemente e ricaricare rapidamente sono desiderabili per i veicoli elettrici, dispositivi medici, laser e applicazioni militari.

"Questo sistema che abbiamo ti dà energia simile a un condensatore con energia simile a una batteria, " disse Braun, professore di scienze e ingegneria dei materiali. "La maggior parte dei condensatori immagazzina pochissima energia. Possono rilasciarla molto velocemente, ma non possono contenere molto. La maggior parte delle batterie immagazzina una quantità ragionevolmente grande di energia, ma non possono fornire o ricevere energia rapidamente. Questo fa entrambe le cose."

Le prestazioni delle tipiche batterie ricaricabili agli ioni di litio (Li-ion) o all'idruro metallico di nichel (NiMH) si riducono notevolmente quando vengono caricate o scaricate rapidamente. Rendere il materiale attivo nella batteria un film sottile consente una carica e una scarica molto veloci, ma riduce la capacità quasi a zero perché il materiale attivo manca di volume per immagazzinare energia.

Il gruppo di Braun avvolge un film sottile in una struttura tridimensionale, ottenendo sia un alto volume attivo (alta capacità) che una grande corrente. Hanno dimostrato che gli elettrodi della batteria possono caricarsi o scaricarsi in pochi secondi, Da 10 a 100 volte più veloce degli elettrodi sfusi equivalenti, ma può funzionare normalmente nei dispositivi esistenti.

Questo tipo di prestazioni potrebbe portare a telefoni che si caricano in pochi secondi o laptop che si caricano in pochi minuti, così come laser e defibrillatori ad alta potenza che non hanno bisogno di tempo per accendersi prima o tra gli impulsi.

Braun è particolarmente ottimista per il potenziale delle batterie nei veicoli elettrici. La durata della batteria e il tempo di ricarica sono i principali limiti dei veicoli elettrici. I viaggi su strada a lunga distanza possono essere la loro forma di guida start-and-stop se la batteria dura solo per 100 miglia e quindi richiede un'ora per ricaricarsi.

"Se tu avessi la capacità di caricare rapidamente, invece di impiegare ore per caricare il veicolo, potresti potenzialmente avere veicoli che si ricaricano in tempi simili a quelli necessari per fare rifornimento di benzina a un'auto, " disse Braun. "Se avessi la capacità di ricarica di cinque minuti, lo penseresti allo stesso modo di un motore a combustione interna. Ti fermeresti a una stazione di ricarica e faresti il ​​pieno".

Tutti i processi utilizzati dal gruppo sono utilizzati anche su larga scala nell'industria, quindi la tecnica potrebbe essere ampliata per la produzione.

La chiave per la nuova struttura 3D del gruppo è l'autoassemblaggio. Iniziano rivestendo una superficie con minuscole sfere, impacchettandoli strettamente insieme per formare un reticolo. Cercare di creare un reticolo così uniforme con altri mezzi richiede tempo e non è pratico, ma le sfere economiche si sistemano
automaticamente.

Quindi i ricercatori riempiono lo spazio tra e intorno alle sfere con metallo. Le sfere si sciolgono o si dissolvono, lasciando un'impalcatura metallica 3D porosa, come una spugna. Prossimo, un processo chiamato elettrolucidatura incide uniformemente la superficie dell'impalcatura per allargare i pori e creare una struttura aperta. Finalmente, i ricercatori rivestono il telaio con un film sottile del materiale attivo.

Il risultato è una struttura elettrodica bicontinua con piccole interconnessioni, quindi gli ioni di litio possono muoversi rapidamente; un materiale attivo a film sottile, quindi le cinetiche di diffusione sono rapide; e una struttura metallica con buona conducibilità elettrica.

Il gruppo ha dimostrato sia batterie NiMH che Li-ion, ma la struttura è generale, quindi potrebbe essere utilizzato qualsiasi materiale della batteria che può essere depositato sul telaio metallico.

"Ci piace che sia molto universale, quindi se qualcuno esce con una migliore chimica della batteria, questo concetto si applica, " disse Braun, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory e al Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Illinois. "Questo non è collegato a un tipo molto specifico di batteria, ma piuttosto è un nuovo paradigma nel pensare a una batteria in tre dimensioni per migliorare le proprietà."