康奈爾大學開發可瞬時充電的螺旋形電池結構

當前的許多電池，都採用了大同小異的陰陽雙電極結構，中間採用了非導體隔離。不過現在，康奈爾大學的工程師們開發出了一種不同尋常的新結構，因其採用了相互交織的旋渦狀結構、並且擁有瞬時充電的特性。這項新技術基於一套複雜的多孔形狀 —— 螺旋 24 面體（gyroid）—— 在此之前，它經常被用於製造「二維奇蹟材料」石墨烯。

康奈爾大學開發的螺旋形電池想像圖

此外，新電池還採用了超薄碳膜（儘管還沒法和石墨烯相提並論），藉助了一種稱作「塊狀共聚合物」（block co-polymer）的自組裝工藝。

這種碳基螺旋 24 面體組成了電池的陽極，其中包含了數千個孔，每個孔大約有 40nm 寬。

這些氣孔被塗上了大約 10nm 厚的分離層、接著加入硫陰極、最後用一種叫做 PEDOT 的導電聚合物來填充最後一部分空隙。

每個細孔都可以儲存和傳遞能量，與微型電池很是類似。但通過將它們分散到螺旋體的巨大表面積上，新架構的能量密度，比傳統電池設計要大得多。

研究人員稱，在實際操作中，這意味著電池可以在幾秒鐘、甚至更快的時間內完成充電！首席研究員 Ulrich Wiesner 表示：

這種三維結構，基本上消除了設備中的所有容積損耗。

更重要的是，相互滲透的領域縮小到了納米尺度，所以我們才能指數般提升能量密度。

換言之，與傳統電池結構相比，你可以在更短的時間內獲得能量。

即便如此，新設計也不是沒有缺陷。當電池在充放電時，硫會發生膨脹、而 PEDOT 部分不會。隨著時間的推移，後者會逐漸發生損耗。Wiesner 指出：

當硫膨脹的時候，這些微小的聚合物會被撕成碎片。當它再次收縮時，無法重新連接。這意味著 3D 電池的一部分無法再被利用到。

當前團隊正在努力搞定這個問題，同時尋求一項關於概念驗證的專利。有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《能源與環境科學》（Energy & Environment Science）期刊上，原標題為：

《Block copolymer derived 3-D interpenetrating multifunctional gyroidal nanohybrids for electrical energy storage》

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