A equipe de pesquisadores da Cornell University liderada por Ulrich Wiesner, o Spencer T. Olin Professor de Engenharia no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, atende à demanda de uma bateria que tem o potencial de cargas ultrarrápidas.
Ideia por trás dessa tecnologia: “Em vez de ter o ânodo e o cátodo das baterias em ambos os lados de um separador não condutor, entrelaça os componentes em uma estrutura giróide 3D de automontagem, com milhares de poros em nanoescala preenchidos com os componentes necessários para a energia armazenamento e entrega ”.
“Esta é realmente uma arquitetura de bateria revolucionária”, disse Wiesner, cujo artigo do grupo, “Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid para o armazenamento de energia elétrica ”, foi publicado em 16 de maio na Energy and Environmental Science, uma publicação da Royal Society de Química.
“Essa arquitetura tridimensional basicamente elimina todas as perdas de volume morto em seu dispositivo”, disse Wiesner. “Mais importante ainda, encolher as dimensões desses domínios interpenetrados até a nanoescala, como fizemos, dá a você uma densidade de potência muito maior. 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 serem reduzidas à nanoescala, “no momento em que você colocar o cabo na tomada, em segundos, talvez até mais rápido, a bateria estará carregada”.
O conceito desta bateria 3D é baseado na automontagem de copolímero em bloco, que eles usaram para empregar em outros dispositivos eletrônicos, incluindo uma célula solar gireoidal e um supercondutor gireoidal. O principal autor deste trabalho, Joerg Werner fez experiências com membranas de filtração de automontagem e se perguntou se esse princípio poderia ser aplicado a materiais de carbono para armazenamento de energia.
As finas películas gireoidianas de carbono - o ânodo da bateria, gerado pela automontagem do copolímero em bloco - apresentavam milhares de poros periódicos da ordem de 40 nanômetros de largura. O revestimento adicional desses poros com 10 nanômetros de espessura, que é isolado eletronicamente, mas o separador condutor de íons foi revestido por eletropolimerização, que pela própria natureza do processo produz uma camada de separação sem furos. E, absolutamente esses defeitos como buracos no separador podem levar a uma falha catastrófica, dando origem a incêndios em dispositivos móveis, como telefones celulares e laptops.
A mudança para a segunda etapa, que é uma adição de material catódico. Neste caso, adicione Enxofre em uma quantidade apropriada que não preencha o restante dos poros. Mas o enxofre pode aceitar elétrons, mas não conduz eletricidade. A etapa final é o preenchimento com um polímero condutor eletronicamente, conhecido como PEDOT (poli).
Embora essa arquitetura ofereça uma prova de conceito, disse Wiesner, ela apresenta desafios. As alterações de volume durante a descarga e o carregamento da bateria degradam gradualmente o coletor de carga PEDOT, que não sofre a expansão de volume que o enxofre.
“Quando o enxofre se expande”, disse Wiesner, “você tem esses pequenos pedaços de polímero que se partem e depois não se reconectam quando encolhem novamente. Isso significa que há peças da bateria 3D que você não pode acessar. ”
A equipe ainda está tentando aperfeiçoar a técnica, mas aplicou para a proteção do paciente no trabalho de prova de conceito. O trabalho foi apoiado pelo Energy Material Center da CORNELL e financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, bem como pela National Science Foundation.