ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัย Cornell นำโดยUlrich Wiesnerศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมของ Spencer T.
แนวคิดเบื้องหลังเทคโนโลยีนี้:“ แทนที่จะมีขั้วบวกและแคโทดของแบตเตอรี่ที่ด้านใดด้านหนึ่งของตัวแยกที่ไม่นำไฟฟ้าให้พันส่วนประกอบต่างๆในโครงสร้างไจโรดอล 3 มิติที่ประกอบขึ้นเองด้วยรูพรุนขนาดนาโนนับพันที่เต็มไปด้วยส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับพลังงาน การจัดเก็บและการจัดส่ง”.
“ นี่เป็นการปฏิวัติสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่อย่างแท้จริง” Wiesner กล่าวซึ่งเป็นบทความของกลุ่ม“ Block Copolymer Derived 3-D Interpenetrating Multifunctional Gyroidal Nanohybrid for Electrical Energy Storage ” ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 16 พฤษภาคมใน Energy and Environmental Science ซึ่งเป็นสิ่งพิมพ์ของ Royal Society สาขาวิชาเคมี
“ สถาปัตยกรรมสามมิติโดยพื้นฐานแล้วจะช่วยขจัดความสูญเสียทั้งหมดจากปริมาณที่เสียไปในอุปกรณ์ของคุณ” Wiesner กล่าว “ ที่สำคัญกว่านั้นการย่อขนาดของโดเมนที่ถูกตีความเหล่านี้ให้เล็กลงเป็นระดับนาโนอย่างที่เราทำจะช่วยให้คุณมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือคุณสามารถเข้าถึงพลังงานได้ในเวลาอันสั้นกว่าที่มักจะทำกับสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ทั่วไป”
เร็วแค่ไหน? Wiesner กล่าวว่าเนื่องจากขนาดขององค์ประกอบของแบตเตอรี่ถูกย่อให้เล็กลงจนถึงระดับนาโน“ เมื่อคุณเสียบสายเคเบิลเข้าไปในซ็อกเก็ตในไม่กี่วินาทีบางทีอาจเร็วกว่านั้นแบตเตอรี่ก็จะชาร์จได้”
แนวคิดของแบตเตอรี่ 3 มิตินี้มีพื้นฐานมาจากการประกอบตัวเองของโคพอลิเมอร์แบบบล็อกซึ่งพวกเขาเคยใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ รวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์แบบไจโรดอลและตัวนำยิ่งยวดแบบไจรอยด์ Joerg Werner ผู้เขียนงานชิ้นนี้ได้ทดลองใช้เมมเบรนกรองแบบประกอบเองและสงสัยว่าหลักการดังกล่าวสามารถนำไปใช้กับวัสดุคาร์บอนเพื่อกักเก็บพลังงานได้หรือไม่
ฟิล์มคาร์บอนบาง ๆ ของไจรอยด์ซึ่งเป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ที่สร้างขึ้นโดยการประกอบตัวเองของบล็อกโคพอลิเมอร์มีรูพรุนเป็นระยะ ๆ หลายพันรูตามลำดับความกว้าง 40 นาโนเมตร เคลือบรูพรุนเหล่านี้เพิ่มเติมด้วยความหนา 10 นาโนเมตรซึ่งเป็นฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ แต่ตัวคั่นที่นำไอออนถูกเคลือบด้วยอิเล็กโทรพอลิเมอไรเซชันซึ่งโดยธรรมชาติของกระบวนการทำให้เกิดชั้นแยกที่ไม่มีรูเข็ม และข้อบกพร่องเหล่านี้อย่างแน่นอนเช่นรูในตัวคั่นอาจนำไปสู่ความล้มเหลวที่ร้ายแรงซึ่งก่อให้เกิดไฟไหม้ในอุปกรณ์เคลื่อนที่เช่นโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป
ย้ายไปยังขั้นตอนที่สองซึ่งเป็นการเพิ่มวัสดุแคโทด ในกรณีนี้ให้เติมซัลเฟอร์ในปริมาณที่เหมาะสมซึ่งจะไม่เติมเต็มส่วนที่เหลือของรูขุมขน แต่กำมะถันสามารถรับอิเล็กตรอนได้ แต่ไม่นำไฟฟ้า ขั้นตอนสุดท้ายคือการเติมสารโพลีเมอร์ที่นำไฟฟ้าแบบอิเล็กทรอนิกส์เรียกว่า PEDOT (poly)
แม้ว่าสถาปัตยกรรมนี้จะนำเสนอการพิสูจน์แนวคิด แต่ Wiesner กล่าวว่ามันไม่ได้ปราศจากความท้าทาย การเปลี่ยนแปลงระดับเสียงระหว่างการคายประจุและการชาร์จแบตเตอรี่จะค่อยๆลดระดับตัวเก็บประจุ PEDOT ซึ่งไม่พบการขยายตัวของปริมาณที่กำมะถันทำ
“ เมื่อกำมะถันขยายตัว” Wiesner กล่าว“ คุณมีพอลิเมอร์ชิ้นเล็ก ๆ เหล่านี้ฉีกออกจากกันแล้วมันจะไม่เชื่อมต่อใหม่เมื่อมันหดตัวอีกครั้ง ซึ่งหมายความว่ามีชิ้นส่วนของแบตเตอรี่ 3 มิติที่คุณไม่สามารถเข้าถึงได้”
ทีมงานยังคงพยายามปรับปรุงเทคนิคให้สมบูรณ์แบบ แต่นำไปใช้เพื่อการคุ้มครองผู้ป่วยในงานพิสูจน์แนวคิด งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก Energy Material Center ที่ CORNELL และได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาและมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ