在納米尺度上制造具有三維性的電池

電池對陽極，陰極和電解質(zhì)新材料的研究幾乎每天都會帶來突破性的消息。但很少有關(guān)于電池基本架構(gòu)研究的報道。也許這就是康奈爾大學(xué)最近的新聞稿和科學(xué)論文如此有趣的原因：它詳細(xì)介紹了一種帶有螺旋結(jié)構(gòu)的3D自組裝電池的概念。由Ulrich Wiesner博士領(lǐng)導(dǎo)的康奈爾大學(xué)研究小組首次發(fā)表了有關(guān)螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的文章。根據(jù)康奈爾2016年新聞稿，“陀螺儀是一種基于表面的復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)，將空間劃分為兩個相互交叉并包含各種螺旋的獨(dú)立體積。”

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康奈爾集團(tuán)的想法是將組件交織成自組裝的三維陀螺結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括數(shù)千個納米級微孔，其中填充有允許儲能和輸送所需的組分。自組裝是指螺旋結(jié)構(gòu)基于其納米級組件的排列來組織和生長的能力。來自同一實(shí)驗(yàn)室的先前工作包括旋轉(zhuǎn)太陽能電池和螺旋形超導(dǎo)體。目前工作的第一作者Joerg Werner正在開發(fā)一種自組裝過濾膜，當(dāng)他開始懷疑是否可以將相同的概念應(yīng)用于電池設(shè)計時。

根據(jù)康奈爾最新的新聞稿，“碳纖維電池的薄膜 - 電池陽極，由塊狀共聚物自組裝產(chǎn)生 - 具有數(shù)千個40納米寬的周期性孔隙。然后通過電聚合將這些孔用10納米厚的電子絕緣但離子導(dǎo)電的隔膜涂覆，這在該過程的本質(zhì)上產(chǎn)生了無針孔的分離層。隔板中孔和孔隙的自由度被認(rèn)為是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)電池設(shè)計中，隔板的穿孔可能導(dǎo)致短路和火災(zāi)。在添加隔膜之后，加入由硫制成的陰極材料，其量不能完全填充剩余的孔。硫不導(dǎo)電，因此在硫上沉積一層導(dǎo)電聚合物。

“這種三維架構(gòu)基本上消除了設(shè)備中死體積造成的所有損失，”Wiesner在康奈爾新聞稿中表示。“更重要的是，正如我們所做的那樣，將這些互穿區(qū)域的尺寸縮小到納米尺度，可以為您提供更高功率密度的數(shù)量級。換句話說，您可以在比傳統(tǒng)電池架構(gòu)通常更短的時間內(nèi)獲取能量。“

構(gòu)建了概念驗(yàn)證鋰離子硫電池，其中功能性碳陽極嵌入鋰離子和硫陰極。它們被超薄電解質(zhì)相分離。每層厚度小于20納米，并在整個宏觀示范電池中延伸。

好消息是初始測試電池確實(shí)起作用了。然而，電池的充電和放電導(dǎo)致硫的體積變化，這是電子導(dǎo)電聚合物無法容納的。聚合物最終撕裂，電池不再工作。然而，它確實(shí)表明了電池架構(gòu)中一個新的，非常不同的可能方向 - 值得進(jìn)行更多研究。