Itserakentuva 3D-akku latautuisi sekunneissa

Cornellin yliopiston professori Ulrich Wiesnerin johtama tutkimus on luonut uudella akkuarkkitehtuurin, jolla on potentiaalia salamannopean varaukseen.

Sen sijaan, että akkujen anodi ja katodi olisivat erottimien kummallakin puolella, kietoutuvat komponentit kolmiulotteiseen gyroidirakenteeseen, jossa on tuhansia nanomittakaavan huokosia, jotka on täytetty energian varastointiin ja jakeluun tarvittavilla komponenteilla.

"Tämä on todella vallankumouksellinen akkuarkkitehtuuri", toteaa Wiesner, jonka johtaman syntyi tutkimuspaperi, " Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage".

"Tämä kolmiulotteinen arkkitehtuuri poistaa pohjimmiltaan kaikki turhat tilat akkurakenteesta", Wiesner toteaa. Vielä tärkeämpää on, että kietoutuneet ulottuvuudet pienenevät nanomittakaavaan saakka, mikä johtaa kertaluokkaa suurempaan tehotiheyteen ja siten sillä voi saada kerätyksi energiaa paljon lyhyemmillä latausajoilla kuin tavanomaisilla akkuarkkitehtuureilla.

Konseptin arkkitehtuuri perustuu lohkokopolymeerin itsekoostumiseen, jonka parissa Wiesnerin ryhmä on työskennellyt jo vuosien ajan muissa laitteissa, kuten gyroidinen aurinkokenno ja gyroidinen suprajohde.

Hiilen gyroidiset ohutkalvot - akun anodi, jonka lohkokopolymeerin itsekoostuminen synnyttää - sisältää tuhansia säännöllisiä huokosia, joiden leveys on 40 nanometriä. Nämä huokoset päällystetään 10 nanometrin paksuisella, sähköisesti eristävällä mutta ioneja johtavalla erottimella sähköpolymeroinnin avulla.

Polymerointi tuottaa reiättömän erotuskerroksen, mikä on tärkeää, koska viat, kuten aukot erottimessa, voivat johtaa katastrofaaliseen vikaantumiseen, joka aiheuttaa tulipalovaaran akuissa. Seuraava vaihe on katodimateriaalin lisäys - tässä tapauksessa rikki – siten, ettei sekään täysin täytä huokosia. Koska rikki pystyy vastaanottamaan elektroneja, mutta ei johda sähköä, viimeinen vaihe täytetään sähköisesti johtavalla PEDOT-polymeerillä.

Vaikka arkkitehtuuri tarjoaa todisteita konseptista, Wiesner toteaa, että siinä on vielä haasteita. Tilavuuden muutos akun purun ja latauksen aikana vähitellen heikentää PEDOT-kerääjää, joka ei koe tilavuusmuutosta kuten rikki.

"Kun rikki laajenee," Wiesner selostaa, "pienet polymeerisirut irtaantuvat toisistaan eivät enää kytkeydy uudelleen, kun kutistuvat uudelleen. Tämä tarkoittaa, että kyseisiä 3D-akun osuutta ei voi enää hyödyntää."

Ryhmä kuitenkin edelleen viimeistelee tekniikkaansa ja hakee patenttisuojaa konseptityöhönsä.