يلبي فريق الباحثين في جامعة كورنيل بقيادة أولريش ويزنر ، أستاذ الهندسة سبنسر تي أولين في قسم علوم وهندسة المواد ، الطلب على بطارية لديها إمكانية الشحن السريع.
الفكرة الكامنة وراء هذه التقنية: "بدلاً من وجود أنود وكاثود البطاريات على جانبي الفاصل غير الموصّل ، يمكنك تشابك المكونات في بنية الغدة الدرقية ذاتية التجميع ، مع آلاف المسام النانوية المليئة بالمكونات الضرورية للطاقة التخزين والتسليم ".
"هذا هو حقا العمارة البطارية الثورية"، وقال ويزنر، الذي المجموعة الورق، "كتلة كوبوليمر المشتقة 3-D الإختراق متعدد الوظائف Gyroidal Nanohybrid للطاقة الكهربائية التخزين "، ونشرت 16 مايو في الطاقة والعلوم البيئية، من منشورات الجمعية الملكية الكيمياء.
قال Wiesner: "هذه البنية ثلاثية الأبعاد تقضي بشكل أساسي على جميع الخسائر من الحجم الميت في جهازك". "الأهم من ذلك ، أن تقليص أبعاد هذه المجالات المتداخلة وصولاً إلى المقياس النانوي ، كما فعلنا ، يمنحك كثافة طاقة أعلى. بعبارة أخرى ، يمكنك الوصول إلى الطاقة في أوقات أقصر بكثير مما يحدث عادةً باستخدام هياكل البطاريات التقليدية ".
ما هي سرعة ذلك؟ قال Wiesner أنه نظرًا لتقلص أبعاد عناصر البطارية إلى المقياس النانوي ، "بحلول الوقت الذي تضع فيه الكابل في المقبس ، في ثوانٍ ، وربما أسرع ، سيتم شحن البطارية".
ويستند مفهوم هذا 3D بطارية على كتلة تضم مجموعة من البوليمرات النفس والتجمع، والتي تستخدم لتوظيف في الأجهزة الإلكترونية الأخرى من الخلايا الشمسية gyroidal و موصل جيد للكهرباء gyroidal. جرب المؤلف الرئيسي لهذا العمل ، يورج ويرنر ، أغشية الترشيح ذاتية التجميع وتساءل عما إذا كان يمكن تطبيق هذا المبدأ على مواد الكربون لتخزين الطاقة.
تتميز الأغشية الرقيقة للغدة الدرقية من الكربون - أنود البطارية ، الناتج عن التجميع الذاتي لبوليمر مشترك - بآلاف المسام الدورية بعرض 40 نانومتر. طلاء إضافي لهذه المسام بسمك 10 نانومتر ، وهو معزول إلكترونيًا ولكن فاصل موصل للأيونات تم تغليفه من خلال البلمرة الكهربية ، والتي تنتج بطبيعتها طبقة فصل خالية من الثقب. ويمكن أن تؤدي هذه العيوب تمامًا مثل الثقوب الموجودة في الفاصل إلى فشل ذريع مما يؤدي إلى نشوب حرائق في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.
الانتقال إلى الخطوة الثانية وهي إضافة مادة الكاثود. في هذه الحالة ، أضف الكبريت بكمية مناسبة لا تملأ تمامًا ما تبقى من المسام. لكن الكبريت يمكن أن يقبل الإلكترونات ولكنه لا يوصل الكهرباء تتمثل الخطوة الأخيرة في الردم ببوليمر موصل إلكترونيًا ، يُعرف باسم PEDOT (بولي).
قال ويزنر إنه في حين أن هذه العمارة تقدم دليلاً على المفهوم ، فإنها لا تخلو من التحديات. يتغير الحجم أثناء تفريغ البطارية وشحنها تدريجيًا إلى تدهور مجمع الشحن PEDOT ، والذي لا يواجه تمددًا في الحجم مثل الكبريت.
قال ويزنر: "عندما يتمدد الكبريت ، يكون لديك هذه القطع الصغيرة من البوليمر التي تنفصل ، ثم لا تتواصل مرة أخرى عندما تنكمش مرة أخرى. هذا يعني أن هناك أجزاء من البطارية ثلاثية الأبعاد لا يمكنك الوصول إليها بعد ذلك. "
لا يزال الفريق يحاول إتقان التقنية ولكنه تقدم بطلب لحماية المريض في أعمال إثبات المفهوم. تم دعم العمل من قبل مركز مواد الطاقة في CORNELL وبتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية بالإضافة إلى مؤسسة العلوم الوطنية.