康納爾大學：新型自組裝電池可在幾秒鐘之內完成充電

世界原本很大，但是隨著技術的進步，世界各地的人們逐漸掌控了整個世界，世界也因此變小了。隨著世界變小，人們對速度的要求也越來越快了，這其中也包括電子設備的充電時間。

康奈爾大學工程學教授Ulrich Wiesner領導的校際合作項目使用一種新型的能量存儲設備架構解決了這一需求，這種架構有可能達到閃電快速充電的能力。

這個團隊的想法是：不在不傳導隔膜的兩邊安放陰極和陽極，而是使得各個組分在自我組裝的過程中相互纏繞而形成三維螺旋結構，其中充滿了成千上萬個能完成能量存儲和運輸必要元素的納米孔狀結構。

Wiesner說：「這是一個真正具有革命意義的電池結構」，他的論文發表在能源與環境科學雜誌上。

3D電池結構的示意圖（頂部，非等比例），插入的陽極（灰色，負號），隔膜（綠色），陰極（藍色，加號），每個單元大約20納米尺度。底部是各自的分子結構示意圖。（圖片由康納爾大學提供）

Wiesner 說：「這個三維結構基本上消除了電池中所有的能量損失，將各個相互影響的單元尺度縮小到納米級別，大大提高電池的能量密度這正和我們所做的不謀而合。換一句話說，相對於傳統的電池架構你可以在更短的時間內獲得相同的能量。」

這個概念的架構是基於塊共聚物自組裝，Wiesner團隊已經在其他設備上使用了很多年，包括一個陀螺太陽能電池和一個陀螺超導體。Joerg Werner博士是該研究的主要作者，曾嘗試過自組裝的光子裝置，並想知道同樣的原理是否適用於碳材料的能量儲存。

碳的陀螺薄膜（電池的陽極）是由塊共聚物自組裝產生的，它有成千上萬個周期性的寬約40納米的氣孔。通過電聚合在這些孔上塗覆一層10納米厚的電絕緣但離子導通的隔膜，這個過程的本質產生了一個無針孔的隔膜層。

這是至關重要的，因為像隔膜上類似孔洞的缺陷會導致災難性的破壞，從而導致手機和筆記本電腦等移動設備起 火。

下一步的計劃是添加陰極材料，在這個方案中陰極材料是硫，在一定程度上，這並不能完全填滿其餘的毛孔。由於硫可以接受電子但不導電，因此最後一步是用電子導電聚合物（即PEDOT）進行回填。

Wiesner說，雖然這種結構提供了原理的證明，但是也並不意味著沒有挑戰。即使PEDOT沒有經歷硫的體積膨脹，充放電過程中的體積變化也會使得PEDOT電荷收集器逐漸衰減。

Wiesner說：「當硫膨脹的時候，這些小的聚合物將被撕成碎片，當硫再次收縮時聚合物不會重新連接。這意味著電池3D結構中的一部分將不會接觸而無法使用。

該團隊仍在完善這項技術，但其原理驗證工作已經申請了專利保護。

原文來自：nanowerk，原文題目：Self-assembling 3D battery would charge in seconds，由材料科技在線團隊翻譯整理。

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