Le monde est grand, mais il est devenu plus petit avec l'avènement des technologies qui mettent les gens du monde entier dans la paume de la main. Et comme le monde a rétréci, il a également exigé que les choses se passent toujours plus vite, y compris le temps qu'il faut pour charger un appareil électronique.

Une collaboration inter-campus menée par Ulrich Wiesner, professeur d'ingénierie à l'Université Cornell, répond à cette demande avec une nouvelle architecture de dispositif de stockage d'énergie qui a le potentiel pour des charges ultra-rapides.

L'idée du groupe :Au lieu d'avoir l'anode et la cathode des batteries de chaque côté d'un séparateur non conducteur, entrelacer les composants dans un auto-assemblage, Structure gyroïdale 3-D, avec des milliers de pores nanométriques remplis des éléments nécessaires au stockage et à la distribution d'énergie.

« C'est vraiment une architecture de batterie révolutionnaire, " dit Wiesner, dont le papier du groupe, "Nanohybride gyroïdal multifonctionnel à interpénétration 3-D dérivé d'un copolymère bloc pour le stockage d'énergie électrique, " a été publié le 16 mai dans Sciences de l'énergie et de l'environnement , une publication de la Royal Society of Chemistry.

"Cette architecture tridimensionnelle élimine fondamentalement toutes les pertes de volume mort dans votre appareil, " a déclaré Wiesner. " Plus important encore, réduire les dimensions de ces domaines interpénétrés jusqu'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 se fait habituellement avec les architectures de batterie conventionnelles. en raison des dimensions des éléments de la batterie réduites à l'échelle nanométrique, "au moment où vous mettez votre câble dans la prise, en secondes, peut-être encore plus vite, la batterie serait chargée."

L'architecture de ce concept est basée sur l'auto-assemblage de copolymères à blocs, que le groupe Wiesner utilise depuis des années dans d'autres appareils, comprenant une cellule solaire gyroïdale et un supraconducteur gyroïdal. Jörg Werner, doctorat '15, auteur principal de ce travail, avait expérimenté des dispositifs photoniques à auto-assemblage, et s'est demandé si les mêmes principes pouvaient être appliqués aux matériaux carbonés pour le stockage de l'énergie.

Les couches minces gyroïdales de carbone - l'anode de la batterie, générés par auto-assemblage de copolymères séquencés - présentaient des milliers de pores périodiques de l'ordre de 40 nanomètres de large. Ces pores ont ensuite été recouverts d'une couche de 10 nm d'épaisseur, séparateur électroniquement isolant mais conducteur d'ions par électropolymérisation, qui, par la nature même du procédé, a produit une couche de séparation sans trous d'épingle.

C'est vital, car des défauts tels que des trous dans le séparateur sont ce qui peut conduire à une défaillance catastrophique provoquant des incendies dans les appareils mobiles tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables.

L'étape suivante est l'ajout du matériau de cathode - dans ce cas, soufre-dans une quantité qui ne remplit pas tout à fait le reste des pores. Puisque le soufre peut accepter des électrons mais ne conduit pas l'électricité, l'étape finale est le remblayage avec un polymère électroniquement conducteur, connu sous le nom de PEDOT (poly[3, 4-éthylènedioxythiophène]).

Bien que cette architecture offre une preuve de concept, Wiesner a dit, 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 connaît pas l'expansion de volume que le soufre fait.

"Quand le soufre se dilate, " Wiesner a dit, "vous avez ces petits bouts de polymère qui se déchirent, et puis il ne se reconnecte pas quand il rétrécit à nouveau. Cela signifie qu'il y a des morceaux de la batterie 3-D auxquels vous ne pouvez pas accéder."

Le groupe perfectionne encore la technique, mais a déposé une demande de protection par brevet sur le travail de validation de principe.