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康奈尔大学开发可瞬时充电的螺旋形电池结构(摘)

(2018-05-22 07:34:11)
分类: 新能源

当前的许多电池,都采用了大同小异的阴阳双电极结构,中间采用了非导体隔离。不过现在,康奈尔大学的工程师们开发出了一种不同寻常的新结构,因其采用了相互交织的旋涡状结构、并且拥有瞬时充电的特性。这项新技术基于一套复杂的多孔形状 —— 螺旋 24 面体(gyroid)—— 在此之前,它经常被用于制造“二维奇迹材料”石墨烯。

gyroid-battery-1.jpg

康奈尔大学开发的螺旋形电池想象图

此外,新电池还采用了超薄碳膜(尽管还没法和石墨烯相提并论),借助了一种称作“块状共聚合物”(block co-polymer)的自组装工艺。

这种碳基螺旋 24 面体组成了电池的阳极,其中包含了数千个孔,每个孔大约有 40nm 宽。

这些气孔被涂上了大约 10nm 厚的分离层、接着加入硫阴极、最后用一种叫做 PEDOT 的导电聚合物来填充最后一部分空隙。

每个细孔都可以储存和传递能量,与微型电池很是类似。但通过将它们分散到螺旋体的巨大表面积上,新架构的能量密度,比传统电池设计要大得多。

研究人员称,在实际操作中,这意味着电池可以在几秒钟、甚至更快的时间内完成充电!首席研究员 Ulrich Wiesner 表示:

这种三维结构,基本上消除了设备中的所有容积损耗。

更重要的是,相互渗透的领域缩小到了纳米尺度,所以我们才能指数般提升能量密度。

换言之,与传统电池结构相比,你可以在更短的时间内获得能量。

3-D interpenetrating multifunctional gyroidal nanohybrids.jpg

即便如此,新设计也不是没有缺陷。当电池在充放电时,硫会发生膨胀、而 PEDOT 部分不会。随着时间的推移,后者会逐渐发生损耗。Wiesner 指出:

当硫膨胀的时候,这些微小的聚合物会被撕成碎片。当它再次收缩时,无法重新连接。这意味着 3D 电池的一部分无法再被利用到。

当前团队正在努力搞定这个问题,同时寻求一项关于概念验证的专利。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《能源与环境科学》(Energy & Environment Science)期刊上,原标题为:

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


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