當前的許多電池, 都採用了大同小異的陰陽雙電極結構, 中間採用了非導體隔離. 不過現在, 康奈爾大學的工程師們開發出了一種不同尋常的新結構, 因其採用了相互交織的旋渦狀結構, 並且擁有瞬時充電的特性. 這項新技術基於一套複雜的多孔形狀——螺旋24面體 (gyroid) ——在此之前, 它經常被用於製造 '二維奇蹟材料' 石墨烯.
康奈爾大學開發的螺旋形電池想象圖
此外, 新電池還採用了超薄碳膜 (儘管還沒法和石墨烯相提並論) , 藉助了一種稱作 '塊狀共聚合物' (blockco-polymer) 的自組裝工藝.
這種碳基螺旋24面體組成了電池的陽極, 其中包含了數千個孔, 每個孔大約有40nm寬.
這些氣孔被塗上了大約10nm厚的分離層, 接著加入硫陰極, 最後用一種叫做PEDOT的導電聚合物來填充最後一部分空隙.
每個細孔都可以儲存和傳遞能量, 與微型電池很是類似. 但通過將它們分散到螺旋體的巨大表面積上, 新架構的能量密度, 比傳統電池設計要大得多.
研究人員稱, 在實際操作中, 這意味著電池可以在幾秒鐘, 甚至更快的時間內完成充電! 首席研究員UlrichWiesner表示:
這種三維結構, 基本上消除了設備中的所有容積損耗.
更重要的是, 相互滲透的領域縮小到了納米尺度, 所以我們才能指數般提升能量密度.
換言之, 與傳統電池結構相比, 你可以在更短的時間內獲得能量.
即便如此, 新設計也不是沒有缺陷. 當電池在充放電時, 硫會發生膨脹, 而PEDOT部分不會. 隨著時間的推移, 後者會逐漸發生損耗. Wiesner指出:
當硫膨脹的時候, 這些微小的聚合物會被撕成碎片. 當它再次收縮時, 無法重新連接. 這意味著3D電池的一部分無法再被利用到.
