L'équipe de chercheurs de l'Université Cornell dirigée par Ulrich Wiesner, professeur Spencer T. Olin d'ingénierie au Département de science et génie des matériaux, répond à la demande d'une batterie qui a le potentiel de se charger rapidement comme l'éclair.
Idée derrière cette technologie: «Au lieu d'avoir l'anode et la cathode des batteries de chaque côté d'un séparateur non conducteur, entrelacez les composants dans une structure gyroïdienne 3D auto-assemblante, avec des milliers de pores nanométriques remplis des composants nécessaires à l'énergie stockage et livraison ».
«C'est vraiment une architecture de batterie révolutionnaire», a déclaré Wiesner, dont l'article du groupe, «Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage », a été publié le 16 mai dans Energy and Environmental Science, une publication de la Royal Society de chimie.
«Cette architecture tridimensionnelle élimine fondamentalement toutes les pertes dues au volume mort de votre appareil», a déclaré Wiesner. «Plus important encore, réduire les dimensions de ces domaines interpénétrés à l'échelle nanométrique, comme nous l'avons fait, vous donne des ordres de grandeur de densité de puissance plus élevée. En d'autres termes, vous pouvez accéder à l'énergie en des temps beaucoup plus courts que ce qui est habituellement fait avec les architectures de batterie conventionnelles. »
À quelle vitesse est-ce? Wiesner a déclaré que, en raison de la réduction des dimensions des éléments de la batterie à l'échelle nanométrique, «au moment où vous mettez votre câble dans la prise, en quelques secondes, peut-être même plus rapidement, la batterie sera chargée.»
Le concept de cette batterie 3D est basé sur l'auto-assemblage de copolymères blocs, qu'ils utilisaient dans d'autres appareils électroniques, notamment une cellule solaire gyroïde et un supraconducteur gyroïdien. Auteur principal de ce travail, Joerg Werner a expérimenté des membranes de filtration auto-assemblées et s'est demandé si ce principe pouvait être appliqué aux matériaux carbonés pour le stockage d'énergie.
Les films minces gyroïdiens de carbone - l'anode de la batterie, générée par l'auto-assemblage du copolymère bloc - présentaient des milliers de pores périodiques de l'ordre de 40 nanomètres de large. Un revêtement supplémentaire de ces pores avec un séparateur de 10 nanomètres d'épaisseur, qui est isolé électroniquement, mais un séparateur conducteur d'ions a été revêtu par électro-polymérisation, qui par la nature même du procédé produit une couche de séparation sans trou d'épingle. Et, absolument ces défauts comme des trous dans le séparateur peuvent conduire à une panne catastrophique donnant lieu à des incendies dans les appareils mobiles tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.
Le passage à la deuxième étape, qui est un ajout de matériau cathodique. Dans ce cas, ajoutez du soufre en une quantité appropriée qui ne remplit pas tout à fait le reste des pores. Mais le soufre peut accepter les électrons mais ne conduit pas l'électricité. La dernière étape consiste à remblayer avec un polymère conducteur électronique, appelé PEDOT (poly).
Bien que cette architecture offre une preuve de concept, a déclaré Wiesner, ce n'est pas sans défis. Les changements de volume pendant la décharge et la charge de la batterie dégradent progressivement le collecteur de charge PEDOT, qui ne subit pas l'expansion de volume que le soufre fait.
«Lorsque le soufre se dilate», a déclaré Wiesner, «vous avez ces petits morceaux de polymère qui se déchirent, puis il ne se reconnecte pas lorsqu'il rétrécit à nouveau. Cela signifie qu'il y a des morceaux de la batterie 3D auxquels vous ne pouvez pas accéder. »
L'équipe essaie toujours de perfectionner la technique mais a demandé la protection du patient sur le travail de preuve de concept. Le travail a été soutenu par le Energy Material Center de CORNELL et financé par le Département américain de l'énergie ainsi que la National Science Foundation.