Världen är en stor plats, men det har blivit mindre med tillkomsten av teknologier som sätter människor från hela världen i handflatan. Och när världen har krympt, det har också krävt att saker ska ske allt snabbare – inklusive den tid det tar att ladda en elektronisk enhet.

Ett samarbete mellan campus ledd av Ulrich Wiesner, professor i teknik vid Cornell University, tillgodoser detta krav med en ny arkitektur för energilagringsenheter som har potential för blixtsnabba laddningar.

Gruppens idé:Istället för att ha batteriernas anod och katod på vardera sidan av en icke-ledande separator, sammanfläta komponenterna i en självmonterande, 3D gyroidal struktur, med tusentals porer i nanoskala fyllda med de element som behövs för energilagring och leverans.

"Detta är verkligen en revolutionerande batteriarkitektur, sade Wiesner, vars grupps tidning, "Blocksampolymerhärledd 3-D interpenetrerande multifunktionell gyroidal nanohybrid för lagring av elektrisk energi, " publicerades 16 maj i Energi- och miljövetenskap , en publikation av Royal Society of Chemistry.

"Denna tredimensionella arkitektur eliminerar i princip alla förluster från död volym i din enhet, sade Wiesner. Ännu viktigare, krymper dimensionerna av dessa interpenetrerade domäner ner till nanoskalan, som vi gjorde, ger dig storleksordningar högre effekttäthet. Med andra ord, du kan komma åt energin på mycket kortare tid än vad som vanligtvis görs med konventionell batteriarkitektur." Hur snabbt är det? Wiesner sa att, på grund av att måtten på batteriets element krymps ner till nanoskala, "när du sätter in kabeln i uttaget, inom sekunder, kanske ännu snabbare, batteriet skulle laddas."

Arkitekturen för detta koncept är baserad på självmontering av blocksampolymer, som Wiesner-gruppen har använt i flera år i andra enheter, inklusive en gyroidal solcell och en gyroidal supraledare. Joerg Werner, Ph.D. '15, huvudförfattare till detta arbete, hade experimenterat med självmonterande fotoniska enheter, och undrade om samma principer kunde tillämpas på kolmaterial för energilagring.

De gyroidformade tunna filmerna av kol - batteriets anod, genererad av självmontering av blocksampolymer – med tusentals periodiska porer i storleksordningen 40 nanometer breda. Dessa porer belades sedan med en 10 nm tjock, elektroniskt isolerande men jonledande separator genom elektropolymerisation, som till följd av processens natur gav ett hålfritt separationsskikt.

Det är viktigt, eftersom defekter som hål i separatorn är det som kan leda till katastrofala fel som ger upphov till bränder i mobila enheter som mobiltelefoner och bärbara datorer.

Nästa steg är tillsatsen av katodmaterialet - i det här fallet, svavel – i en mängd som inte riktigt fyller resten av porerna. Eftersom svavel kan ta emot elektroner men inte leder elektricitet, det sista steget är återfyllning med en elektroniskt ledande polymer – känd som PEDOT (poly[3, 4-etylendioxitiofen]).

Även om denna arkitektur erbjuder proof of concept, Wiesner sa, det är inte utan utmaningar. Volymförändringar under urladdning och laddning av batteriet försämrar gradvis PEDOT-laddningsuppsamlaren, som inte upplever den volymexpansion som svavel gör.

"När svavlet expanderar, Wiesner sa, "du har dessa små bitar av polymer som slits isär, och sedan kopplas den inte ihop igen när den krymper igen. Det betyder att det finns delar av 3D-batteriet som du sedan inte kan komma åt."

Gruppen fulländar fortfarande tekniken, men ansökte om patentskydd på proof-of-concept-arbetet.