Batterierna i Illinois professor Paul Brauns labb ser ut som alla andra, men de packar en överraskning inuti.

Brauns grupp utvecklade en tredimensionell nanostruktur för batterikatoder som möjliggör dramatiskt snabbare laddning och urladdning utan att offra energilagringskapacitet. Forskarnas resultat kommer att publiceras i den 20 mars förhandsupplagan av tidskriften Naturens nanoteknik.

Förutom snabbladdad hemelektronik, batterier som kan lagra mycket energi, släpp den snabbt och ladda snabbt är önskvärda för elfordon, medicinska apparater, lasrar och militära tillämpningar.

"Det här systemet som vi har ger dig kondensatorliknande kraft med batteriliknande energi, sa Braun, professor i materialvetenskap och teknik. "De flesta kondensatorer lagrar väldigt lite energi. De kan frigöra den väldigt snabbt, men de kan inte hålla mycket. De flesta batterier lagrar en ganska stor mängd energi, men de kan inte ge eller ta emot energi snabbt. Detta gör både och."

Prestandan hos typiska uppladdningsbara litiumjon- (Li-ion) eller nickelmetallhydrid (NiMH) batterier försämras avsevärt när de laddas eller laddas ur snabbt. Att göra det aktiva materialet i batteriet till en tunn film möjliggör mycket snabb laddning och urladdning, men minskar kapaciteten till nästan noll eftersom det aktiva materialet saknar volym för att lagra energi.

Brauns grupp lindar in en tunn film i tredimensionell struktur, uppnå både hög aktiv volym (hög kapacitet) och stor ström. De har demonstrerat batterielektroder som kan laddas eller laddas ur på några sekunder, 10 till 100 gånger snabbare än motsvarande bulkelektroder, ändå kan fungera normalt i befintliga enheter.

Den här typen av prestanda kan leda till att telefoner laddas på några sekunder eller bärbara datorer som laddas på några minuter, samt högeffektslasrar och defibrillatorer som inte behöver tid att slå på före eller mellan pulserna.

Braun är särskilt optimistisk för batteriernas potential i elfordon. Batteritid och laddningstid är stora begränsningar för elfordon. Långfärdsresor kan vara sin egen form av start-och-stopp-körning om batteriet bara räcker i 100 mil och sedan kräver en timme att ladda om.

"Om du hade förmågan att ladda snabbt, istället för att ta timmar för att ladda fordonet kan du potentiellt ha fordon som skulle laddas under liknande tider som behövs för att tanka en bil med bensin, " sa Braun. "Om du hade fem minuters laddningskapacitet, du skulle tänka på detta på samma sätt som du gör en förbränningsmotor. Du skulle bara dra upp till en laddstation och fylla på."

Alla processer som gruppen använde används också i stor skala inom industrin så tekniken skulle kunna skalas upp för tillverkning.

De nyckeln till gruppens nya 3D-struktur är självmontering. De börjar med att belägga en yta med små sfärer, packa dem tätt tillsammans för att bilda ett galler. Att försöka skapa ett sådant enhetligt galler på andra sätt är tidskrävande och opraktiskt, men de billiga sfärerna sätter sig på plats
automatiskt.

Sedan fyller forskarna utrymmet mellan och runt sfärerna med metall. Sfärerna smälts eller löses upp, lämnar en porös 3D-metallställning, som en svamp. Nästa, en process som kallas elektropolering etsar likformigt bort ytan på ställningen för att förstora porerna och skapa en öppen ram. Till sist, forskarna täcker ramen med en tunn film av det aktiva materialet.

Resultatet är en bikontinuerlig elektrodstruktur med små sammankopplingar, så litiumjonerna kan röra sig snabbt; ett tunnfilmsaktivt material, så diffusionskinetiken är snabb; och en metallram med god elektrisk ledningsförmåga.

Gruppen visade både NiMH- och Li-ion-batterier, men strukturen är generell, så vilket batterimaterial som helst som kan avsättas på metallramen kan användas.

"Vi gillar att det är väldigt universellt, så om någon kommer på en bättre batterikemi, detta koncept gäller, sa Braun, som också är knuten till Materials Research Laboratory och Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois. "Detta är inte kopplat till en mycket specifik typ av batteri, utan snarare är det ett nytt paradigm när det gäller att tänka på ett batteri i tre dimensioner för att förbättra egenskaper."