Tim peneliti di Cornell University dipimpin oleh Ulrich Wiesner, Profesor Teknik Spencer T. Olin di Departemen Ilmu dan Teknik Material, menangani permintaan baterai yang memiliki potensi pengisian secepat kilat.
Ide di balik teknologi ini: “Alih-alih memiliki anoda dan katoda baterai di kedua sisi pemisah non-konduktor, jalin komponen dalam struktur gyroid 3D yang merakit sendiri, dengan ribuan pori skala nano yang diisi dengan komponen yang diperlukan untuk energi penyimpanan dan pengiriman ”.
“Ini benar-benar arsitektur baterai yang revolusioner,” kata Wiesner, yang makalah kelompoknya, “Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage,” diterbitkan 16 Mei di Energy and Environmental Science, sebuah publikasi dari Royal Society Kimia.
"Arsitektur tiga dimensi ini pada dasarnya menghilangkan semua kerugian dari volume mati di perangkat Anda," kata Wiesner. “Lebih penting lagi, mengecilkan dimensi dari domain yang saling menembus ini ke skala nano, seperti yang kami lakukan, memberi Anda urutan kepadatan daya yang lebih tinggi. Dengan kata lain, Anda dapat mengakses energi dalam waktu yang jauh lebih singkat daripada yang biasanya dilakukan dengan arsitektur baterai konvensional. ”
Seberapa cepat itu? Wiesner mengatakan bahwa, karena dimensi elemen baterai yang menyusut menjadi skala nano, "pada saat Anda memasang kabel ke soket, dalam hitungan detik, mungkin lebih cepat, baterai akan terisi."
Konsep baterai 3D ini didasarkan pada perakitan mandiri kopolimer blok, yang biasa mereka gunakan di perangkat elektronik lain termasuk sel surya gyroidal dan superkonduktor gyroidal. Penulis utama karya ini, Joerg Werner bereksperimen dengan membran filtrasi rakitan sendiri dan bertanya-tanya apakah prinsip itu dapat diterapkan pada bahan karbon untuk penyimpanan energi.
Lapisan tipis gyroidal karbon - anoda baterai, yang dihasilkan oleh perakitan mandiri kopolimer blok - menampilkan ribuan pori periodik dengan lebar 40 nanometer. Selanjutnya, pelapisan pori-pori ini dengan ketebalan 10 nanometer, yang diisolasi secara elektronik tetapi pemisah penghantar ion dilapisi melalui elektro-polimerisasi, yang pada dasarnya proses menghasilkan lapisan pemisahan bebas lubang jarum. Dan, benar-benar cacat seperti lubang pada pemisah ini dapat menyebabkan bencana kegagalan yang menimbulkan kebakaran di perangkat seluler seperti ponsel dan laptop.
Tahap kedua, yaitu penambahan material katoda. Dalam hal ini, tambahkan Sulphur dalam jumlah yang sesuai yang tidak cukup mengisi sisa pori-pori. Tapi, belerang dapat menerima elektron tetapi tidak menghantarkan listrik. Langkah terakhir adalah mengisi ulang dengan polimer konduksi elektronik, yang dikenal sebagai PEDOT (poli).
Meskipun arsitektur ini menawarkan bukti konsep, kata Wiesner, bukannya tanpa tantangan. Perubahan volume selama pemakaian dan pengisian baterai secara bertahap menurunkan pengumpul muatan PEDOT, yang tidak mengalami peningkatan volume seperti sulfur.
“Ketika belerang mengembang,” kata Wiesner, “Anda memiliki potongan-potongan kecil polimer yang terkoyak, dan kemudian tidak menyambung kembali ketika menyusut lagi. Artinya ada bagian dari baterai 3D yang tidak dapat Anda akses. ”
Tim masih mencoba untuk menyempurnakan teknik tetapi menerapkan perlindungan pasien pada pekerjaan bukti konsep. Pekerjaan ini didukung oleh Energy Material Center di CORNELL dan didanai oleh Departemen Energi AS serta National Science Foundation.