圖注：3D電池架構示意圖。3D電池具有穿插式負極（灰色，-），隔膜（綠色）和正極（藍色，+）。電池下方為各種材料的分子結構。
近日，美國康奈爾大學工程學教授Ulrich Wiesner領導的跨校合作團隊開發出一種具有“閃電快充”的潛力的新型能源儲存設備架構。該團隊的設計思路為：將正負極和隔膜材料在一個自組裝3D螺旋結構中相互貫穿，在數以千記的納米孔隙中填充儲能和輸能的必備元素。Wiesner說：“這是一種革命性的電池架構。”該研究成果發表於5月16日的《能源與環境科學》。
Wiesner認為：“這種三維結構基本消除了設備上所有的靜容量。更為重要的是，將相互貫穿的空間縮小到納米級，可對功率密度有數量級的提高。換句話講，你可以在更短的時間內獲取能量。”這到底有多快呢？Wiesner認為，在電纜接入插座後的數秒內（或許更短），電池就可以被充滿。新電池構架是基於Wiesner團隊已在其他設備（如螺旋太陽能電池和螺旋超導體）應用多年的自組裝嵌段共聚物。論文第一作者、Joerg Werner博士曾進行過自組裝光子器件的實驗。受此啟發，他設想是否可以將同樣的原理用於儲能碳材料。
電池負極是由嵌段共聚物自組裝而成的螺旋狀碳薄膜（40納米寬），薄膜上遍佈週期性孔隙。然後利用電化學聚合方法在孔隙上覆蓋一層10納米厚的電子絕緣、離子導電的隔膜。這一過程至關重要，否則隔膜上的缺陷很可能會導致移動設備起火。接下來的步驟是正極材料（硫）的添加和電子導電聚合物聚[3,4-乙基二氧噻吩]（PEDOT）的架後充填。
Wiesner說，新電池架構並非完美，電池在充放電過程中的體積變化會逐漸降低PEDOT電荷收集器的性能。Wiesner團隊仍在繼續完善新電池技術，並已對概念驗證工作申請了專利保護。
編譯：雷鑫宇 審稿：alone 編輯：張夢
來源：https://phys.org/news/2018-05-self-assembling-d-battery-seconds.html
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