Nhóm của nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell do Ulrich Wiesner, Giáo sư Kỹ thuật Spencer T. Olin thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đứng đầu, đã giải quyết nhu cầu về một loại pin có khả năng sạc nhanh như chớp.
Ý tưởng đằng sau công nghệ này: “Thay vì đặt cực dương và cực âm của pin ở hai bên của bộ phân tách không dẫn điện, hãy đan xen các thành phần trong một cấu trúc con quay hồi chuyển 3D tự lắp ráp, với hàng nghìn lỗ chân lông kích thước nano chứa đầy các thành phần cần thiết cho năng lượng bảo quản và giao hàng ”.
Wiesner cho biết: “Đây thực sự là một kiến trúc pin mang tính cách mạng”, người có bài báo của nhóm, “Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multif Chức năng Nanohybrid Gyroidal để lưu trữ năng lượng điện,” được xuất bản ngày 16 tháng 5 trên Tạp chí Năng lượng và Môi trường, một ấn phẩm của Hiệp hội Hoàng gia của Hóa học.
Wiesner cho biết: “Kiến trúc ba chiều này về cơ bản loại bỏ tất cả tổn thất do khối lượng chết trong thiết bị của bạn. “Quan trọng hơn, việc thu nhỏ kích thước của các miền xen kẽ này xuống kích thước nano, như chúng tôi đã làm, mang lại cho bạn các đơn hàng về mật độ công suất cao hơn. Nói cách khác, bạn có thể tiếp cận năng lượng trong thời gian ngắn hơn nhiều so với những gì thường được thực hiện với các kiến trúc pin thông thường ”.
Làm thế nào nhanh là vậy? Wiesner nói rằng, do kích thước của các phần tử của pin bị thu nhỏ xuống mức nano, “khi bạn cắm cáp vào ổ cắm, chỉ trong vài giây, có lẽ còn nhanh hơn, pin sẽ được sạc”.
Khái niệm về pin 3D này dựa trên sự tự lắp ráp đồng trùng hợp khối, mà họ đã sử dụng để sử dụng trong các thiết bị điện tử khác bao gồm một tế bào năng lượng mặt trời con quay hồi chuyển và một chất siêu dẫn con quay hồi chuyển. Tác giả chính của công trình này, Joerg Werner đã thử nghiệm với các màng lọc tự lắp ráp và tự hỏi liệu nguyên tắc đó có thể áp dụng cho vật liệu carbon để lưu trữ năng lượng hay không.
Các màng carbon mỏng hình con quay hồi chuyển - cực dương của pin, được tạo ra bởi quá trình tự lắp ráp đồng trùng hợp khối - có hàng nghìn lỗ rỗng tuần hoàn theo thứ tự rộng 40 nanomet. Phủ thêm các lỗ này bằng một lớp dày 10 nanomet, được cách điện điện tử nhưng bộ phân tách dẫn ion đã được phủ qua quá trình trùng hợp điện, mà bản chất của quá trình này tạo ra một lớp phân tách không có lỗ kim. Và, hoàn toàn những khiếm khuyết này như lỗ hổng trên dải phân cách có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng dẫn đến cháy các thiết bị di động như điện thoại di động và máy tính xách tay.
Chuyển sang bước thứ hai, là sự bổ sung vật liệu catốt. Trong trường hợp này, thêm Sulfur với một lượng thích hợp để không lấp đầy phần còn lại của lỗ chân lông. Tuy nhiên, lưu huỳnh có thể nhận electron nhưng không dẫn điện. Bước cuối cùng là lấp đầy lại bằng một loại polymer dẫn điện tử, được gọi là PEDOT (poly).
Wiesner nói: Mặc dù kiến trúc này cung cấp bằng chứng về khái niệm, nhưng không phải là không có thách thức. Sự thay đổi âm lượng trong quá trình xả và sạc pin dần dần làm suy giảm bộ thu điện PEDOT, bộ thu điện này không gặp phải hiện tượng giãn nở thể tích như lưu huỳnh.
“Khi lưu huỳnh nở ra,” Wiesner nói, “bạn có những mảnh polymer nhỏ này bị tách ra, và sau đó nó không kết nối lại khi nó co lại. Điều này có nghĩa là có những phần của pin 3D mà sau đó bạn không thể truy cập. "
Nhóm nghiên cứu vẫn đang cố gắng hoàn thiện kỹ thuật nhưng áp dụng cho việc bảo vệ bệnh nhân trong công việc chứng minh khái niệm. Công trình được hỗ trợ bởi Trung tâm Vật liệu Năng lượng tại CORNELL và được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng như Quỹ Khoa học Quốc gia.