استفاده از نانوساختارهای سه بعدی در الکترود باتری‌ها

تیم تحقیقاتی پال براون در دانشگاه ایلینویز موفق شدند تا نانوساختارهای سه بعدی
برای کاتد در باتری‌ها تولید کنند که می‌تواند سرعت شارژ و دشارژ را در باتری
افزایش دهد بدون اینکه توان ذخیره انرژی آن کاهش یابد. مزیت دیگر این باتری آن است
که می‌تواند مقدار زیادی انرژی را در خود ذخیره کند و به سرعت آن را آزاد کند که
این ویژگی برای ادوات الکترونیکی بسیار ایده‌آل است.

براون می‌گوید که این سیستم می‌تواند انرژی را به مانند یک خازن ایجاد کند. بیشتر
خازن‌ها قادراند انرژی اندکی را در زمان بسیارکوتاهی آزاد کند. خازن‌ها نمی‌توانند
انرژی زیادی را در خود ذخیره کند. سیستمی که این تیم تحقیقاتی ارائه کرده قادر است
به مانند باتری‌ها انرژی زیادی را ذخیره کند و به مانند خازن‌ها آن را سریع آزاد
کند.

باتری‌های قابل شارژ یون لیتیم و هیبرید فلز نیکل زمانی که به سرعت شارژ و دشارژ
می‌شوند دچار زوال می‌گردند. فیلم‌ها نازکی که در باتری‌ها برای سرعت دادن به
فرآیند شارژ و دشارژ استفاده می‌شود امکان ذخیره انرژی را کاهش می‌دهد چون جایی
برای ذخیره انرژی ندارند. گروه تحقیقاتی براون با ایجاد نانوساختارهای سه بعدی
امکان ذخیره انرژی را در این فیلم‌ها ایجاد کرده‌اند. با استفاده از این فیلم، سرعت
شارژ و دشارژ به چند ثانیه تقلیل یافته که این رقم ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از
الکترودهای رایج است. با این سیستم می‌توان باتری تلفن‌های همراه را در چند ثانیه و
لپ تاپ‌ها را در چند دقیقه شارژ کرد.

برای تولید این باتری‌ها، با استفاده از خودآرایی، ساختارهای سه بعدی ایجاد می‌شود.
برای این کار، ابتدا روی یک سطح ذرات کروی نشانده می‌شود و سپس آنها را به‌هم
می‌چسبانند تا یک شبکه ایجاد شود. اگر بخواهیم با روش دیگری چنین سطوحی را بسازیم،
کاری بسیار زمان‌بر، پرهزینه و دشوار خواهد بود اما با این روش می‌توان با استفاده
از کره‌های ارزان قیمت ساختارهای سه بعدی را ایجاد کرد.

در گام بعد، محققان فضای میان این حفره‌ها را با فلز پر می‌کنند. سپس کره‌ها با
حرارت، گداخته شده و حل می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند یک ساختار سه بعدی فلزی متخلخل
خواهد بود. در نهایت با استفاده از فرآیند الکتروپولیش، سطح ساختار را اچ کرده تا
حفره‌ها را افزایش دهد و شبکه باز می‌گردد. حال باید سطح ساختار بوجود آمده را با
یک فلز فعال پوشش داده تا فیلم نازک ایجاد گردد.

آنچه که بوجود می‌آید ساختاری متخلخل با حفره‌های بسیار کوچک است که تشکیل یک شبکه
را می‌دهد. این ساختار به‌عنوان الکترود مورد استفاده قرار می‌گیرد.