הבטריות במעבדתו של פרופסור פול בראון לא נראות שונה מסוללות אחרות, אך תוכנן שונה בתכלית, והן מכילות הפתעה. קבוצת המחקר של בראון פיתחה מבנה-ננו תלת-ממדי עבור קתודות של סוללות, המאפשר טעינה ופריקה מהירה בהרבה של הסוללה, ללא כל צורך להתפשר על יכולות קיבול האנרגיה שלה. הממצאים פורסמו לאחרונה בהרחבה במגזין Nature Nanotechnology. הפיתוח החדש אינו נוגע רק לסוללות המיועדות לשוק מכשירי החשמל הפשוטים, אלא גם ובעיקר למכוניות חשמליות, ציוד רפואי, מכשירי לייזר ויישומים צבאיים.

"המערכת שברשותנו מספקת כוח באופן דומה לקבל ואוצרת אנרגיה בדומה לסוללה", מסביר בראון, פרופסור להנדסה ומדע חומרים. "מרבית הקבלים מאחסנים בתוכם מעט מאוד אנרגיה. הם מסוגלים לשחררה מהר מאוד, אך הם אינם מסוגלים לאצור בתוכם הרבה. מרבית הסוללות יכולות לאגור בתוכן כמות סבירה של אנרגיה, אך הם אינן מסוגלות לספק או לקלוט אנרגיה במהירות. הפיתוח שלנו, לעומת זאת, מסוגל".

הביצועים של סוללות נטענות מסוג ליתיום-יון (Li-ion) או ניקל-מטאל (NiMH) מתדרדרים בצורה משמעותית כאשר הן נטענות או עוברות פריקה במהירות. כאשר הופכים את החומר הפעיל בסוללה לסרט דקיק מתאפשרת פריקה וטעינה מהירה, אך הדבר מקטין את הקיבולת לרמה אפסית, מאחר והחומר הפעיל חסר למעשה את הנפח על-מנת לאגור את האנרגיה. קבוצת המחקר של בראון עוטפת את הסרט הדק אל תוך מבנה תלת-ממדי, ומשיגה בכך נפח גדול בהרבה יחד עם יכולות זרימה משופרות. הקבוצה הצליחה כבר להדגים אלקטרודות של סוללה המסוגלות להיטען ולהתפרק בתוך שניות, פי 10 עד 100 מהר יותר מאשר באמצעות אלקטרודות רגילות. הסוללות שהצוות ייצר יכולות לפעול במכשירי חשמל שכבר קיימים. לצורך ההשוואה סוללה חדשה שכזו תוכל להפוך את תהליך טעינת הטלפון הסלולארי לעניין של מספר שניות, מחשבים ניידים ייטענו תוך דקות בודדות, מכשירי לייזר ומכשירי החייאה, הנזקקים לזמני טעינה בין פולסים, יוכלו לפעול כעת באופן כמעט רציף.

פרופסור בראון אופטימי במיוחד בכל הנוגע לפוטנציאל העצום של הפיתוח ברכבים חשמליים. זמן חיי הסוללה וזמן טעינתה ברכבים חשמליים מהווים את המגבלה העיקרית לשימוש נרחב ברכבים אלו. נסיעה ברכב חשמלי לאורך כביש, ללא אפשרות טעינה, מגבילים את טווח הנסיעה ברכבים אלו ל-160 קילומטרים, לאחר מכן זמן הטעינה עשוי להימשך כשעה נוספת. "אם הייתה לנו את האפשרות לטעון את הסוללה ברכב חשמלי במהירות, ומבלי שהדבר יימשך שעות, כניסה לתחנות טעינה הייתה הופכת לזהה לתדלוק בתחנות דלק ונמשכת מספר דקות".

כל התהליכים בהם עשתה הקבוצה שימוש הם כאלו המקובלים בתעשייה, ולכן ניתן ליישם את הטכניקה לצורך ייצור בקנה מידה נרחב. המפתח לשיטה החדשנית של המבנה התלת-ממדי הוא בהרכבה העצמית. הקבוצה החלה באמצעות ציפוי משטח בספירות זעירות ודחיסתן כך שיצרו מארג צפוף. ניסיון לייצר מארג דומה באמצעים שונים גוזל זמן רב ואיננו פרקטי, אך הספירות הזעירות אינן יקרות ומתארגנות במקום הנכון באופן אוטומטי. בשלב הבא החוקרים מילאו את החלל בין ומסביב לספירות במתכת. הספירות נמסו או נעלמו, והשאירו מבנה תלת-ממדי נקבובי הדומה לספוג. כעת ביצעו החוקרים תהליך הנקרא "אלקטרו-ליטוש" (electropolishing) היוצר שכבה אחידה ונקייה, כך שהנקבוביות על גבי המשטח גדלות ונוצרת מסגרת עבודה פתוחה. לבסוף ציפו החוקרים את המסגרת בסרט דקיק של החומר הפעיל.

התוצאה היא מבנה אלקטרודות מתמשך לשני כיוונים בעל שני חיבורים, המאפשרים ליוני הליתיום לנוע במהירות; סרט דק של חומר הפעיל, המאפשרים לתהליכי הדיפוזיה להתבצע במהירות; ומסגרת מתכתית בעלת יכולת מוליכות גבוהה.

קבוצת המחקר הדגימה את היכולות הן בסוללות מסוג ליתיום-יון (Li-ion) והן בסוללות ניקל-מטאל (NiMH, כאשר המבנה הבסיסי בשני המקרים הוא זהה, כך שלמעשה כל חומר ממנו מורכבות סוללות ושניתן להכניסו למסגרת המתכתית יכול לשמש לצורך העניין.

"אנחנו מאוד אוהבים את העובדה שהקונספט שלנו אוניברסאלי, כך שאם מישהו יפתח בטריה עם תכונות כימיות יותר טובות, ניתן יהיה ליישם את הרעיון גם עליה", מסביר בראון. "הפיתוח שלנו אינו קשור למבנה כימי ספציפי של סוללה, והוא מהווה למעשה פרדיגמה חדשה בחשיבה על סוללות בשלושה ממדים על מנת לנצל את תכונותיהן טוב יותר".