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康奈爾大學:電池幾秒鐘、甚至更快的時間內(nèi)完成充電不再是夢想!

鉅大LARGE  |  點擊量:358次  |  2022年08月10日  

當前的許多電池,都采用了大同小異的陰陽雙電極結(jié)構(gòu),中間采用了非導體隔離。不過現(xiàn)在,康奈爾大學的工程師們開發(fā)出了一種不同尋常的新結(jié)構(gòu),因其采用了相互交織的旋渦狀結(jié)構(gòu)、并且擁有瞬時充電的特性。這項新技術基于一套復雜的多孔形狀——螺旋24面體(gyroid)——在此之前,它經(jīng)常被用于制造“二維奇跡材料”石墨烯。


此外,新電池還采用了超薄碳膜(盡管還沒法和石墨烯相提并論),借助了一種稱作“嵌段共聚物”(blockco-polymer)的自組裝工藝。


這種碳基螺旋24面體組成了電池的陽極,其中包含了數(shù)千個孔,每個孔大約有40nm寬。


這些氣孔被涂上了大約10nm厚的分離層、接著加入硫陰極、最后用一種叫做PEDOT的導電聚合物來填充最后一部分空隙。


每個細孔都可以儲存和傳遞能量,與微型電池很是類似。但通過將它們分散到螺旋體的巨大表面積上,新架構(gòu)的能量密度,比傳統(tǒng)電池設計要大得多。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

研究人員稱,在實際操作中,這意味著電池可以在幾秒鐘、甚至更快的時間內(nèi)完成充電!首席研究員UlrichWiesner表示:


這種三維結(jié)構(gòu),基本上消除了設備中的所有容積損耗。


更重要的是,相互滲透的領域縮小到了納米尺度,所以我們才能指數(shù)般提升能量密度。


換言之,與傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)相比,你可以在更短的時間內(nèi)獲得能量。


即便如此,新設計也不是沒有缺陷。當電池在充放電時,硫會發(fā)生膨脹、而PEDOT部分不會。隨著時間的推移,后者會逐漸發(fā)生損耗。Wiesner指出:

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當硫膨脹的時候,這些微小的聚合物會被撕成碎片。當它再次收縮時,無法重新連接。這意味著3D電池的一部分無法再被利用到。


當前團隊正在努力搞定這個問題,同時尋求一項關于概念驗證的專利。有關這項研究的詳情,已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《能源與環(huán)境科學》(Energy&EnvironmentScience)期刊上。

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