El mundo es un gran lugar pero se ha vuelto más pequeño con la llegada de tecnologías que ponen a personas de todo el mundo en la palma de la mano. Y como el mundo se ha encogido, también ha exigido que las cosas sucedan cada vez más rápido, incluido el tiempo que lleva cargar un dispositivo electrónico.

Una colaboración entre campus dirigida por Ulrich Wiesner, profesor de ingeniería en la Universidad de Cornell, aborda esta demanda con una nueva arquitectura de dispositivo de almacenamiento de energía que tiene el potencial de cargas ultrarrápidas.

La idea del grupo:en lugar de tener el ánodo y el cátodo de las baterías a cada lado de un separador no conductor, entrelazar los componentes en un autoensamblaje, Estructura giroidal 3-D, con miles de poros a nanoescala llenos de los elementos necesarios para el almacenamiento y suministro de energía.

"Esta es una arquitectura de batería verdaderamente revolucionaria, "dijo Wiesner, el papel de cuyo grupo, "Nanohíbrido giroidal multifuncional interpenetrante tridimensional derivado de copolímero en bloque para almacenamiento de energía eléctrica, "fue publicado el 16 de mayo en Ciencias de la energía y el medio ambiente , una publicación de la Royal Society of Chemistry.

"Esta arquitectura tridimensional básicamente elimina todas las pérdidas por volumen muerto en su dispositivo, "Dijo Wiesner." Más importante aún, reduciendo las dimensiones de estos dominios interpenetrados a la nanoescala, como lo hicimos, le da órdenes de magnitud de mayor densidad de potencia. En otras palabras, se puede acceder a la energía en tiempos mucho más cortos de lo que se suele hacer con las arquitecturas de baterías convencionales ". ¿Qué tan rápido es eso? Wiesner dijo que, debido a que las dimensiones de los elementos de la batería se han reducido a nanoescala, "en el momento en que coloque el cable en el enchufe, en segundos, quizás incluso más rápido, la batería se cargaría ".

La arquitectura de este concepto se basa en el autoensamblaje de copolímeros en bloque, que el grupo Wiesner ha empleado durante años en otros dispositivos, incluyendo una célula solar giroidea y un superconductor giroidal. Joerg Werner, Doctor. '15, autor principal de este trabajo, había experimentado con dispositivos fotónicos de autoensamblaje, y se preguntó si los mismos principios podrían aplicarse a los materiales de carbono para el almacenamiento de energía.

Las finas películas giroideas de carbono, el ánodo de la batería, generado por el autoensamblaje del copolímero de bloque, presentaba miles de poros periódicos del orden de 40 nanómetros de ancho. Estos poros se recubrieron luego con un espesor de 10 nm, separador eléctricamente aislante pero conductor de iones mediante electropolimerización, que por la propia naturaleza del proceso produjo una capa de separación sin poros.

Eso es vital ya que defectos como agujeros en el separador son los que pueden conducir a fallas catastróficas dando lugar a incendios en dispositivos móviles como teléfonos celulares y computadoras portátiles.

El siguiente paso es la adición del material del cátodo; en este caso, azufre:en una cantidad que no llena del todo el resto de los poros. Dado que el azufre puede aceptar electrones pero no conduce electricidad, el paso final es rellenar con un polímero conductor electrónico, conocido como PEDOT (poli [3, 4-etilendioxitiofeno]).

Si bien esta arquitectura ofrece una prueba de concepto, Wiesner dijo:no está exento de desafíos. Los cambios de volumen durante la descarga y carga de la batería degradan gradualmente el colector de carga PEDOT, que no experimenta la expansión de volumen que experimenta el azufre.

"Cuando el azufre se expande, "Wiesner dijo, "tienes estos pequeños trozos de polímero que se rompen, y luego no se vuelve a conectar cuando se encoge de nuevo. Esto significa que hay piezas de la batería 3-D a las que no puede acceder ".

El grupo sigue perfeccionando la técnica, pero solicitó protección mediante patente sobre el trabajo de prueba de concepto.