O mundo é um lugar grande, mas ficou menor com o advento de tecnologias que colocam pessoas de todo o mundo na palma da mão. E como o mundo encolheu, também exigiu que as coisas acontecessem cada vez mais rápido - incluindo o tempo que leva para carregar um dispositivo eletrônico.

Uma colaboração entre campus liderada por Ulrich Wiesner, professor de engenharia na Universidade Cornell, atende a essa demanda com uma nova arquitetura de dispositivo de armazenamento de energia que tem potencial para cargas ultrarrápidas.

A ideia do grupo:em vez de ter o ânodo e o cátodo das baterias em ambos os lados de um separador não condutor, entrelaçar os componentes em uma automontagem, Estrutura gireoidal 3-D, com milhares de poros em nanoescala preenchidos com os elementos necessários para armazenamento e distribuição de energia.

"Esta é realmente uma arquitetura de bateria revolucionária, "disse Wiesner, papel de quem grupo, "Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid para o armazenamento de energia elétrica, "foi publicado em 16 de maio em Energia e Ciência Ambiental , uma publicação da Royal Society of Chemistry.

"Esta arquitetura tridimensional basicamente elimina todas as perdas de volume morto em seu dispositivo, "Wiesner disse." Mais importante, encolhendo as dimensões desses domínios interpenetrados até a nanoescala, como nós fizemos, dá a você ordens de magnitude maior densidade de potência. Em outras palavras, você pode acessar a energia em tempos muito mais curtos do que o que normalmente é feito com arquiteturas de bateria convencionais. "Quão rápido é isso? Wiesner disse que, devido às dimensões dos elementos da bateria sendo reduzidas à nanoescala, "no momento em que você coloca o cabo na tomada, em segundos, talvez ainda mais rápido, a bateria seria carregada. "

A arquitetura para este conceito é baseada na automontagem de copolímero em bloco, que o grupo Wiesner vem empregando há anos em outros dispositivos, incluindo uma célula solar gireoidal e um supercondutor gireoidal. Joerg Werner, Ph.D. '15, autor principal deste trabalho, tinha experimentado dispositivos fotônicos de automontagem, e se perguntou se os mesmos princípios poderiam ser aplicados a materiais de carbono para armazenamento de energia.

As finas películas giroidais de carbono - o ânodo da bateria, gerado pela automontagem do copolímero em bloco - apresentava milhares de poros periódicos da ordem de 40 nanômetros de largura. Esses poros foram então revestidos com uma espessura de 10 nm, isolante eletronicamente, mas separador condutor de íons por meio de eletropolimerização, que pela própria natureza do processo produziu uma camada de separação livre de orifícios.

Isso é vital, já que defeitos como buracos no separador são o que pode levar a uma falha catastrófica, dando origem a incêndios em dispositivos móveis, como celulares e laptops.

A próxima etapa é a adição do material do cátodo - neste caso, enxofre - em uma quantidade que não preenche totalmente o restante dos poros. Como o enxofre pode aceitar elétrons, mas não conduz eletricidade, a etapa final é o preenchimento com um polímero condutor eletronicamente - conhecido como PEDOT (poli [3, 4-etilenodioxitiofeno]).

Embora esta arquitetura ofereça uma prova de conceito, Wiesner disse, não é sem desafios. As alterações de volume durante a descarga e o carregamento da bateria degradam gradualmente o coletor de carga PEDOT, que não experimenta a expansão de volume que o enxofre sofre.

"Quando o enxofre se expande, "Wiesner disse, "você tem esses pequenos pedaços de polímero que se separam, e então ele não se reconecta quando encolhe novamente. Isso significa que há peças da bateria 3-D que você não pode acessar. "

O grupo ainda está aperfeiçoando a técnica, mas solicitou proteção de patente no trabalho de prova de conceito.