在纳米尺度上制造具有三维性的电池

电池对阳极，阴极和电解质新材料的研究几乎每天都会带来突破性的消息。但很少有关于电池基本架构研究的报道。也许这就是康奈尔大学最近的新闻稿和科学论文如此有趣的原因：它详细介绍了一种带有螺旋结构的3D自组装电池的概念。由Ulrich Wiesner博士领导的康奈尔大学研究小组首次发表了有关螺旋结构实际应用的文章。根据康奈尔2016年新闻稿，“陀螺仪是一种基于表面的复杂立方结构，将空间划分为两个相互交叉并包含各种螺旋的独立体积。”

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康奈尔集团的想法是将组件交织成自组装的三维陀螺结构。该结构包括数千个纳米级微孔，其中填充有允许储能和输送所需的组分。自组装是指螺旋结构基于其纳米级组件的排列来组织和生长的能力。来自同一实验室的先前工作包括旋转太阳能电池和螺旋形超导体。目前工作的第一作者Joerg Werner正在开发一种自组装过滤膜，当他开始怀疑是否可以将相同的概念应用于电池设计时。

根据康奈尔最新的新闻稿，“碳纤维电池的薄膜 - 电池阳极，由块状共聚物自组装产生 - 具有数千个40纳米宽的周期性孔隙。然后通过电聚合将这些孔用10纳米厚的电子绝缘但离子导电的隔膜涂覆，这在该过程的本质上产生了无针孔的分离层。隔板中孔和孔隙的自由度被认为是至关重要的。在传统电池设计中，隔板的穿孔可能导致短路和火灾。在添加隔膜之后，加入由硫制成的阴极材料，其量不能完全填充剩余的孔。硫不导电，因此在硫上沉积一层导电聚合物。

“这种三维架构基本上消除了设备中死体积造成的所有损失，”Wiesner在康奈尔新闻稿中表示。“更重要的是，正如我们所做的那样，将这些互穿区域的尺寸缩小到纳米尺度，可以为您提供更高功率密度的数量级。换句话说，您可以在比传统电池架构通常更短的时间内获取能量。“

构建了概念验证锂离子硫电池，其中功能性碳阳极嵌入锂离子和硫阴极。它们被超薄电解质相分离。每层厚度小于20纳米，并在整个宏观示范电池中延伸。

好消息是初始测试电池确实起作用了。然而，电池的充电和放电导致硫的体积变化，这是电子导电聚合物无法容纳的。聚合物最终撕裂，电池不再工作。然而，它确实表明了电池架构中一个新的，非常不同的可能方向 - 值得进行更多研究。