Il team di ricercatori della Cornell University guidato da Ulrich Wiesner, il Professore di Ingegneria Spencer T. Olin presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, risponde alla domanda di una batteria che abbia il potenziale di ricariche fulminee.
Idea alla base di questa tecnologia: "Invece di avere l'anodo e il catodo delle batterie su entrambi i lati di un separatore non conduttore, intreccia i componenti in una struttura tiroidea 3D autoassemblante, con migliaia di pori su nanoscala riempiti con i componenti necessari per l'energia stoccaggio e consegna ”.
"Questa è davvero un'architettura della batteria rivoluzionaria", ha affermato Wiesner, il cui documento del gruppo, "Nanoibrido tiroideo multifunzionale interpenetrante derivato da copolimero a blocchi 3-D per lo stoccaggio di energia elettrica ", è stato pubblicato il 16 maggio su Energy and Environmental Science, una pubblicazione della Royal Society di chimica.
"Questa architettura tridimensionale elimina sostanzialmente tutte le perdite dovute al volume morto nel dispositivo", ha affermato Wiesner. “Ancora più importante, ridurre le dimensioni di questi domini compenetrati fino alla nanoscala, come abbiamo fatto noi, offre una densità di potenza superiore di ordini di grandezza. In altre parole, puoi accedere all'energia in tempi molto più brevi rispetto a ciò che di solito si fa con le architetture di batterie convenzionali ".
Quanto è veloce? Wiesner ha detto che, a causa delle dimensioni degli elementi della batteria che si riducono fino alla nanoscala, "nel momento in cui inserirai il cavo nella presa, in pochi secondi, forse anche più velocemente, la batteria sarà caricata".
Il concetto di questa batteria 3D si basa sull'autoassemblaggio del copolimero a blocchi, che utilizzavano in altri dispositivi elettronici, tra cui una cella solare e un superconduttore tiroideo. L'autore principale di questo lavoro, Joerg Werner ha sperimentato con membrane di filtrazione autoassemblanti e si è chiesto se quel principio potesse essere applicato ai materiali di carbonio per l'accumulo di energia.
Le sottili pellicole di carbonio della tiroide - l'anodo della batteria, generato dall'autoassemblaggio del copolimero a blocchi - presentavano migliaia di pori periodici dell'ordine di 40 nanometri di larghezza. Il rivestimento ulteriore di questi pori con un separatore dello spessore di 10 nanometri, isolato elettronicamente ma a conduzione ionica, è stato rivestito mediante elettro-polimerizzazione, che per la natura stessa del processo produce uno strato di separazione privo di fori di spillo. E, assolutamente questi difetti come i buchi nel separatore possono portare a guasti catastrofici che danno luogo a incendi in dispositivi mobili come telefoni cellulari e laptop.
Il passaggio alla seconda fase, che è un'aggiunta di materiale catodico. In questo caso, aggiungi lo zolfo in una quantità adeguata che non riempia completamente il resto dei pori. Ma lo zolfo può accettare elettroni ma non conduce l'elettricità. Il passaggio finale è il riempimento con un polimero a conduzione elettronica, noto come PEDOT (poli).
Sebbene questa architettura offra la prova del concetto, ha affermato Wiesner, non è priva di sfide. Le variazioni di volume durante lo scaricamento e la ricarica 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", ha detto Wiesner, "hai questi pezzetti di polimero che vengono lacerati e poi non si ricollegano quando si restringe di nuovo. Ciò significa che ci sono pezzi della batteria 3D a cui non puoi accedere. "
Il team sta ancora cercando di perfezionare la tecnica, ma ha applicato la protezione del paziente al lavoro di proof-of-concept. Il lavoro è stato sostenuto dall'Energy Material Center del CORNELL e finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.