自組裝的3D電池可以在幾秒鐘內充電

這個世界很大，但隨著科技的出現，這個世界變得越來越小。隨著世界正在縮小，就要求一些事情發展得要比以往更快 - 包括為電子設備充電所需的時間。

由康奈爾大學工程教授Ulrich Wiesner領導的跨校園合作，用一種新型儲能設備結構滿足了這一需求，這種結構具有閃電般快速充電的潛力。

該團隊的想法是：將電池的陽極和陰極不是放置在非導電分離器的兩側，而是纏繞在自組裝的3D三維螺旋結構組件中，這種螺旋結構帶有成千上萬個充滿儲能和輸送所需的元素的納米級孔隙。

Wiesner表示：「這確實是一種革命性的電池結構，該團隊的論文發表在Energy and Environmental Science（「Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage」）上。

圖片為帶有相互貫穿負極（灰色，帶負號），隔離（綠色）和正極（藍色，加號）的3D電池結構（頂部;不按比例），每個尺寸約20納米。圖的下方是它們各自的分子結構。（圖片來源：康奈爾大學）

Wiesner表示：「這種三維結構基本上消除了設備中死區容積的所有損失。 更重要的是，就像我們所做的那樣，將這些互穿的尺寸縮小到納米級，可以提供更高的能量密度，換句話說，您可以在比傳統電池結構通常要短得多的時間獲得能量。」那有多快？ Wiesner說，由於電池元件的尺寸縮小到納米尺寸，「當你將電線插到插座上，在幾秒鐘內，甚至更快，電池就會被充電。」

這一概念的結構是基於嵌段共聚物自組裝，Wiesner團隊在其他器件中使用了很多年，包括螺旋型太陽能電池和螺旋型超導體。 Joerg Werner博士作為這項工作的主要作者，曾嘗試過自組裝光子器件，並試圖確認是否同樣的原理可以應用於碳材料的能量存儲。

碳的螺旋薄膜 - 由嵌段共聚物自組裝產生的電池陽極 - 具有40納米寬的成千上萬個周期性孔隙。這些氣孔被塗上10納米厚的、電子絕緣的、電聚合的離子導電隔離器，這樣就產生了一個無針孔的隔離層。

這一點至關重要，因為隔離器中的孔洞等缺陷會導致災難性故障，從而導致手機和筆記本電腦等移動設備起火。

下一步是添加陰極材料 —在這種情況下是硫—在一定程度上不能完全填滿剩餘的孔隙。由於硫可以接收電子但不導電，因此最後一步是用稱為聚乙撐二氧噻吩（聚[3,4-亞乙基二氧噻吩]）的電子導電聚合物進行回填。

Wiesner表示，雖然這種結構提供了概念證明，但這並非沒有挑戰。電池放電和充電過程中的體積變化會逐漸降低聚乙撐二氧噻吩收集電荷的性能，但它不會像硫一樣發生體積膨脹。

「當硫膨脹時，」Wiesner說，「你將這些小塊聚合物撕開，然後當它再次收縮時它不會重新連接，這意味著有些3D電池是不能被打開的。」

該小組仍在完善這項技術，但將概念驗證的工作申請了專利保護。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！