Je knieën en de batterij van je smartphone hebben een aantal verrassend vergelijkbare behoeften, een professor aan de Universiteit van Michigan heeft ontdekt, en dat nieuwe inzicht heeft geleid tot een prototype van een "structurele batterij" dat een kraakbeenachtig materiaal bevat om de batterijen zeer duurzaam en gemakkelijk te vormen te maken.

Het idee achter structurele batterijen is om energie op te slaan in structurele componenten - de vleugel van een drone of de bumper van een elektrisch voertuig, bijvoorbeeld. Ze waren een langetermijndoel voor onderzoekers en de industrie omdat ze het gewicht konden verminderen en het bereik konden vergroten. Maar structurele batterijen waren tot nu toe zwaar, van korte duur of onveilig.

In een studie gepubliceerd in ACS Nano , beschrijven de onderzoekers hoe ze een schadebestendige oplaadbare zinkbatterij maakten met een kraakbeenachtig vast elektrolyt. Ze toonden aan dat de batterijen de bovenste behuizingen van verschillende commerciële drones kunnen vervangen. De prototypecellen kunnen meer dan 100 cycli draaien op een capaciteit van 90 procent, en bestand zijn tegen harde stoten en zelfs steken zonder spanning te verliezen of brand te veroorzaken.

"Een batterij die ook een structureel onderdeel is, moet licht zijn, sterk, veilig en hebben een hoge capaciteit. Helaas, deze vereisten sluiten elkaar vaak uit, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar Engineering, die het onderzoek leidde.

De eigenschappen van kraakbeen benutten

Om deze afwegingen te omzeilen, de onderzoekers gebruikten zink - een legitiem structureel materiaal - en vertakte nanovezels die lijken op de collageenvezels van kraakbeen.

"De natuur heeft geen zinkbatterijen, maar het moest een soortgelijk probleem oplossen, Kotov zei. "Kraakbeen bleek een perfect prototype te zijn voor een ionentransporterend materiaal in batterijen. Het heeft geweldige mechanica, en het dient ons voor een zeer lange tijd in vergelijking met hoe dun het is. Dezelfde kwaliteiten zijn nodig van vaste elektrolyten die kathoden en anodes in batterijen scheiden."

In ons lichaam, kraakbeen combineert mechanische sterkte en duurzaamheid met het vermogen om water door te laten, voedingsstoffen en andere materialen bewegen er doorheen. Deze eigenschappen zijn bijna identiek aan die van een goede vaste elektrolyt, die schade door dendrieten moet weerstaan ​​en tegelijkertijd ionen van de ene elektrode naar de andere moet laten stromen.

Dendrieten zijn ranken van metaal die de separator tussen de elektroden doorboren en een snelle baan voor elektronen creëren, het circuit kortsluiten en mogelijk brand veroorzaken. Zink werd voorheen over het hoofd gezien voor oplaadbare batterijen, omdat het de neiging heeft om kort te sluiten na slechts een paar laad-/ontlaadcycli.

Niet alleen kunnen de membranen gemaakt door Kotov's team zinkionen tussen de elektroden vervoeren, ze kunnen ook de doordringende dendrieten van zink stoppen. Zoals kraakbeen, de membranen zijn samengesteld uit ultrasterke nanovezels verweven met een zachter ion-vriendelijk materiaal.

Bij de batterijen, aramide nanovezels - het spul in kogelvrije vesten - staan ​​in voor collageen, met polyethyleenoxide (een kettingachtige, op koolstof gebaseerde molecule) en een zinkzout dat de zachte componenten van kraakbeen vervangt.

Veiligheid en bruikbaarheid demonstreren

Om werkende cellen te maken, het team combineerde de zinkelektroden met mangaanoxide - de combinatie die wordt aangetroffen in standaard alkalinebatterijen. Maar in de oplaadbare batterijen, het kraakbeenachtige membraan vervangt de standaard separator en alkalische elektrolyt. Als secundaire batterijen op drones, de zinkcellen kunnen de vliegtijd met 5 tot 25 procent verlengen, afhankelijk van het batterijformaat, massa van de drone en vluchtomstandigheden.

Veiligheid is van cruciaal belang voor structurele batterijen, dus het team heeft opzettelijk hun cellen beschadigd door ze met een mes te steken. Ondanks meerdere "wonden, " de batterij bleef ontladen in de buurt van zijn ontwerpspanning. Dit is mogelijk omdat er geen vloeistof weglekt.

Voor nu, de zinkbatterijen zijn het beste als secundaire stroombronnen omdat ze niet zo snel kunnen opladen en ontladen als hun lithiumion-broeders. Maar het team van Kotov is van plan te onderzoeken of er een betere partnerelektrode is die de snelheid en levensduur van oplaadbare zinkbatterijen zou kunnen verbeteren.

Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research en de National Science Foundation. Kotov doceert aan de afdeling Chemische Technologie. Hij is ook hoogleraar materiaalkunde en techniek, en macromoleculaire wetenschap en techniek.