El equipo de investigadores de la Universidad de Cornell dirigido por Ulrich Wiesner, profesor de ingeniería Spencer T. Olin en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, aborda la demanda de una batería que tiene el potencial de cargas ultrarrápidas.
Idea detrás de esta tecnología: “En lugar de tener el ánodo y el cátodo de las baterías a cada lado de un separador no conductor, entrelaza los componentes en una estructura giroidal 3D autoensamblable, con miles de poros a nanoescala llenos de los componentes necesarios para la energía almacenamiento y entrega ”.
"Esta es una arquitectura de batería verdaderamente revolucionaria", dijo Wiesner, cuyo artículo de grupo, "Nanohíbrido giroidal multifuncional interpenetrante 3D derivado de copolímero en bloque para almacenamiento de energía eléctrica ", se publicó el 16 de mayo en Energy and Environmental Science, una publicación de la Royal Society de Química.
"Esta arquitectura tridimensional básicamente elimina todas las pérdidas por volumen muerto en su dispositivo", dijo Wiesner. “Más importante aún, reducir las dimensiones de estos dominios interpenetrados a la nanoescala, como hicimos nosotros, le da órdenes de magnitud de densidad de potencia más alta. En otras palabras, 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 redujeron a la nanoescala, "en el momento en que colocas el cable en el enchufe, en segundos, quizás incluso más rápido, la batería se cargaría".
El concepto de esta batería 3D se basa en el autoensamblaje de copolímeros de bloque, que solían emplear en otros dispositivos electrónicos que incluyen una celda solar giroidal y un superconductor giroidal. El autor principal de este trabajo, Joerg Werner, experimentó con membranas de filtración autoensamblables y se preguntó si ese principio podría aplicarse a los materiales de carbono para el almacenamiento de energía.
Las delgadas películas giroideas de carbono, el ánodo de la batería, generado por el autoensamblaje del copolímero de bloque, presentaban miles de poros periódicos del orden de 40 nanómetros de ancho. Recubrimiento adicional de estos poros con un separador de 10 nanómetros de espesor, que está aislado electrónicamente, pero se recubrieron separadores conductores de iones mediante electropolimerización, que por la propia naturaleza del proceso produce una capa de separación sin poros. Y, absolutamente estos defectos como los agujeros en el separador pueden conducir a fallas catastróficas dando lugar a incendios en dispositivos móviles como teléfonos celulares y computadoras portátiles.
El paso al segundo paso, que es una adición de material de cátodo. En este caso, agregue azufre en una cantidad adecuada que no llene el resto de los poros. Pero el azufre puede aceptar electrones pero no conduce la electricidad. El paso final es rellenar con un polímero conductor electrónico, conocido como PEDOT (poli).
Si bien esta arquitectura ofrece una prueba de concepto, dijo Wiesner, no está exenta 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”, dijo Wiesner, “tienes estos pequeños trozos de polímero que se rompen y luego no se reconectan cuando se contrae de nuevo. Esto significa que hay piezas de la batería 3D a las que luego no puede acceder ".
El equipo todavía está tratando de perfeccionar la técnica, pero solicitó la protección del paciente en el trabajo de prueba de concepto. El trabajo fue apoyado por Energy Material Center en CORNELL y financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Así como por la National Science Foundation.