Инженеры из Университета Корнелла разработали новую структуру для типовой бытовой батарейки. От классической схемы, с разнесенным катодом и анодом, они перешли к сложнейшей трехмерной архитектуре, где электроды имеют сверхтонкую форму и постоянно переплетаются между собой. Но не пересекаются – так достигается колоссальное увеличение плотности мощности и скорости зарядки батареи при сохранении тех же габаритов.
Внутренняя структура 3D-батарейки описывается термином «гироид» – непрерывная, бесконечно закручивающаяся в трех измерениях, но при этом нигде не пересекающая себя конструкция. Она выполнена из пленки углерода толщиной несколько нанометров, что близко к графену, но при этом им не является. На углеродный анод нанесен 10-нм слой диэлектрика, поверх которого расположена пленка серного катода. И все это залито электропроводящим полимером PEDOT.
Хитросплетения гироида образуют огромное количество микроячеек диаметром около 40 нм, каждую из которых можно рассматривать как крошечную батарейку. Все они весьма плотно упакованы для минимизации пустот внутри батарейки, что ведет к сокращению потерь времени и энергии при прохождении электронов во время зарядки/разрядки. Растет плотность мощности батарейки, а скорость зарядки падает до считанных секунд или даже долей секунды.
Недостаток 3D-батарейки в необратимом износе, так как при расширении серного катода из-за давления на полимерный слой от него откалываются мелкие фрагменты. Со временем это приведет к потере контакта и некоторые области внутри батарейки окажутся в изоляции. Это можно назвать деградацией батареи и команда авторов исследования в настоящее время работает над ее решением.