Nabití baterie v řádu sekund? Řešení může přinést revoluční 3D architektura

Tlak na neustálé zrychlování všech procesů současného světa, včetně nabíjení elektronických zařízení, je všudypřítomný. Vědecká spolupráce na Cornellské univerzitě, v čele s Ulrichem Wiesnerem, by mohla přinést řešení díky nové architektuře baterie, která má potenciál velmi rychlého nabíjení.

Revoluční trojrozměrná (3D) architektura umožňuje značné snížení rozměrů díky integraci všech elektrochemických složek do vzájemně propojených sítí využívajících tří rozměrů. Jako ilustrativní příklad lze uvést, že při zachování rozměrů vrstev a materiálů by klasická architektura baterie byla 4700krát větší. Dokonce i při 20% kapacitě by baterie byla 940krát větší, tedy skoro o 3 řády.

„Je to skutečně revoluční architektura baterií,“ uvedl Wiesner.

Toho je dosaženo díky tomu, že multifunkční 3D nano architektura umožňuje integrovat všechny komponenty zařízení na desítkách nanometrů. Jedná se o slibnou technologii budoucnosti, kterou je ovšem obtížné integrovat. Nedostatek vhodných metod syntézy umožňující přesné 3D ovládání na úrovni nanometrů je hlavní překážkou v rozvoji takovéto architektury.

Hlavní myšlenkou je, že namísto toho, aby anoda a katoda byly separované, se v 3D baterii nachází tisíce miniaturních pórů, které jsou naplněné prvky pro uchování a dodávání energie.

„Tato trojrozměrná architektura prakticky eliminuje všechny ztráty z mrtvého objemu v baterii. Co je ještě více důležité, že smrštění všech komponentů na nanorozměry nám dává o řády vyšší energetickou hustotu. Můžete získat přístup k energii uchované v baterii v mnohem kratších časech, než je běžné u klasických bateriových architektur,“ uvádí Wiesner.

Jak rychle? Wiesner uvedl, že díky velikosti bateriových elementů je baterie, po připojení k napájení, nabitá během několika sekund, možná ještě rychleji.

Architektura baterie

Architektura tohoto konceptu je založená na samouspořádání kopolymerů do bloků. Takto vytvořená gyroidní struktura byla využívána Wiesnerem již roky pro solární články a supravodiče. Wiesner dříve experimentoval se samouspořádanými fotonickými zařízeními a rozhodl se tuto technologii aplikovat pro zařízení na uchovávání energie.

Gyroidní tenké vrstvy uhlíku, které slouží jako anoda baterie, mají tisíce pórů o šířce okolo 40 nanometrů. Tyto póry jsou potaženy 10 nanometrovým elektronicky izolačním ale iontově vodivým separátorem, který tvoří dělicí vrstvu bez děr. Přesně to je žádoucí. Díry, které jsou považovány za vady na separátoru, mohou vést až ke způsobení požáru v zařízeních jako jsou mobilní telefony a notebooky. Že je separátor bez děr, zjistili vědci, když byl prototyp baterie schopen udržovat napětí přes 2,8 V po dobu několika hodin v rozsahu 20 nabíjecích cyklů.

Následujícím krokem je přidání materiálu katody. V tomto případě byla využita síra namísto kobaltitanu lithného, a to v množství, které zcela nevyplní zbývající póry. Vzhledem k tomu, že síra může absorbovat elektrony, ale její elektrická vodivost je nepatrná, je zapotřebí vodící polymer. K tomuto účelu využil vědecký tým PEDOT (polyethylendioxythiophene). Přidání tohoto polymeru je posledním krokem procesu.

Ani tato architektura není bez problémů

Ani tato architektura ovšem není dokonalá a její vývoj nebyl bez překážek. Problematickým je měnící se objem baterie při vybíjení a nabíjení, čímž se průběžně znehodnocuje PEDOT, který nezaznamenává stejnou expanzi jako síra.

„Při expanzi síry dochází k roztrhávání malých polymerových částí, které se nespojí zpět, když se objem baterie vrací do původního stavu. To znamená, že se v 3D baterii vyskytnou kousky, které budou nevyužité,“ uvedl Wiesner.

Skupina stojící za vývojem baterie technologii stále zdokonaluje, ale již nyní požádala o patentovou ochranu.