图注：3D电池架构示意图。3D电池具有穿插式负极（灰色，-），隔膜（绿色）和正极（蓝色，+）。电池下方为各种材料的分子结构。
近日，美国康奈尔大学工程学教授Ulrich Wiesner领导的跨校合作团队开发出一种具有“闪电快充”的潜力的新型能源储存设备架构。该团队的设计思路为：将正负极和隔膜材料在一个自组装3D螺旋结构中相互贯穿，在数以千记的纳米孔隙中填充储能和输能的必备元素。Wiesner说：“这是一种革命性的电池架构。”该研究成果发表于5月16日的《能源与环境科学》。
Wiesner认为：“这种三维结构基本消除了设备上所有的静容量。更为重要的是，将相互贯穿的空间缩小到纳米级，可对功率密度有数量级的提高。换句话讲，你可以在更短的时间内获取能量。”这到底有多快呢？Wiesner认为，在电缆接入插座后的数秒内（或许更短），电池就可以被充满。新电池构架是基于Wiesner团队已在其他设备（如螺旋太阳能电池和螺旋超导体）应用多年的自组装嵌段共聚物。论文第一作者、Joerg Werner博士曾进行过自组装光子器件的实验。受此启发，他设想是否可以将同样的原理用于储能碳材料。
电池负极是由嵌段共聚物自组装而成的螺旋状碳薄膜（40纳米宽），薄膜上遍布周期性孔隙。然后利用电化学聚合方法在孔隙上覆盖一层10纳米厚的电子绝缘、离子导电的隔膜。这一过程至关重要，否则隔膜上的缺陷很可能会导致移动设备起火。接下来的步骤是正极材料（硫）的添加和电子导电聚合物聚[3,4-乙基二氧噻吩]（PEDOT）的架后充填。
Wiesner说，新电池架构并非完美，电池在充放电过程中的体积变化会逐渐降低PEDOT电荷收集器的性能。Wiesner团队仍在继续完善新电池技术，并已对概念验证工作申请了专利保护。
编译：雷鑫宇 审稿：alone 编辑：张梦
来源：https://phys.org/news/2018-05-self-assembling-d-battery-seconds.html
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