当前的许多电池, 都采用了大同小异的阴阳双电极结构, 中间采用了非导体隔离. 不过现在, 康奈尔大学的工程师们开发出了一种不同寻常的新结构, 因其采用了相互交织的旋涡状结构, 并且拥有瞬时充电的特性. 这项新技术基于一套复杂的多孔形状——螺旋24面体 (gyroid) ——在此之前, 它经常被用于制造 '二维奇迹材料' 石墨烯.
康奈尔大学开发的螺旋形电池想象图
此外, 新电池还采用了超薄碳膜 (尽管还没法和石墨烯相提并论) , 借助了一种称作 '块状共聚合物' (blockco-polymer) 的自组装工艺.
这种碳基螺旋24面体组成了电池的阳极, 其中包含了数千个孔, 每个孔大约有40nm宽.
这些气孔被涂上了大约10nm厚的分离层, 接着加入硫阴极, 最后用一种叫做PEDOT的导电聚合物来填充最后一部分空隙.
每个细孔都可以储存和传递能量, 与微型电池很是类似. 但通过将它们分散到螺旋体的巨大表面积上, 新架构的能量密度, 比传统电池设计要大得多.
研究人员称, 在实际操作中, 这意味着电池可以在几秒钟, 甚至更快的时间内完成充电! 首席研究员UlrichWiesner表示:
这种三维结构, 基本上消除了设备中的所有容积损耗.
更重要的是, 相互渗透的领域缩小到了纳米尺度, 所以我们才能指数般提升能量密度.
换言之, 与传统电池结构相比, 你可以在更短的时间内获得能量.
即便如此, 新设计也不是没有缺陷. 当电池在充放电时, 硫会发生膨胀, 而PEDOT部分不会. 随着时间的推移, 后者会逐渐发生损耗. Wiesner指出:
当硫膨胀的时候, 这些微小的聚合物会被撕成碎片. 当它再次收缩时, 无法重新连接. 这意味着3D电池的一部分无法再被利用到.
