Brusk kan være nøglen til sikre strukturelle batterier

Dine knæ og din smartphone batteri har nogle overraskende lignende behov, en professor ved University of Michigan har opdaget, og den nye indsigt har ført til en "strukturelt batteri"-prototype, der inkorporerer et brusk-lignende materiale for at gøre batterierne meget holdbare og nemme at forme.

Ideen bag strukturelle batterier er at lagre energi i strukturelle komponenter - vingen på en drone eller kofangeren på et elektrisk køretøj, for eksempel. De har været et langsigtet mål for forskere og industri, fordi de kunne reducere vægten og udvide rækkevidden. Men strukturelle batterier har hidtil været tunge, kortvarig eller usikker.

I en undersøgelse offentliggjort i ACS Nano , forskerne beskriver, hvordan de lavede et skadesbestandigt genopladeligt zinkbatteri med en brusklignende fast elektrolyt. De viste, at batterierne kan erstatte topkabinettet på flere kommercielle droner. Prototypecellerne kan køre i mere end 100 cyklusser ved 90 procent kapacitet, og modstå hårde stød og endda stikkende uden at miste spænding eller starte en brand.

"Et batteri, der også er en strukturel komponent, skal være let, stærk, sikker og har høj kapacitet. Desværre, disse krav udelukker ofte hinanden, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i ingeniørvidenskab, der ledede forskningen.

Udnyttelse af egenskaberne ved brusk

For at omgå disse afvejninger, forskerne brugte zink - et legitimt strukturelt materiale - og forgrenede nanofibre, der ligner kollagenfibrene i brusk.

"Naturen har ikke zinkbatterier, men det skulle løse et lignende problem, " sagde Kotov. "Brusk viste sig at være en perfekt prototype til et ion-transporterende materiale i batterier. Den har en fantastisk mekanik, og den tjener os meget længe i forhold til hvor tynd den er. De samme kvaliteter er nødvendige fra solide elektrolytter, der adskiller katoder og anoder i batterier. "

I vores kroppe, brusk kombinerer mekanisk styrke og holdbarhed med evnen til at lade vand, næringsstoffer og andre materialer bevæger sig igennem det. Disse egenskaber er næsten identiske med en god fast elektrolyt, som skal modstå skader fra dendritter og samtidig lade ioner strømme fra den ene elektrode til den anden.

Dendritter er slynger af metal, der gennemborer separatoren mellem elektroderne og skaber en hurtig bane for elektroner, kortslutning af kredsløbet og potentielt forårsage brand. Zink er tidligere blevet overset for genopladelige batterier, fordi det har en tendens til at kortslutte efter blot et par opladnings-/afladningscyklusser.

Ikke kun kan membranerne fremstillet af Kotovs team transportere zinkioner mellem elektroderne, de kan også stoppe zinks piercing dendritter. Ligesom brusk, membranerne er sammensat af ultrastærke nanofibre sammenvævet med et blødere ionvenligt materiale.

I batterierne, aramid nanofibre - tingene i skudsikre veste - står for kollagen, med polyethylenoxid (en kædelignende, kulstofbaseret molekyle) og et zinksalt, der erstatter bløde komponenter i brusk.

Demonstrer sikkerhed og nytte

For at lave arbejdsceller, holdet parrede zinkelektroderne med manganoxid - den kombination, der findes i almindelige alkaliske batterier. Men i de genopladelige batterier, den brusklignende membran erstatter standardseparatoren og den alkaliske elektrolyt. Som sekundære batterier på droner, zinkcellerne kan forlænge flyvetiden med 5 til 25 procent – ​​afhængigt af batteristørrelsen, dronens masse og flyveforhold.

Sikkerhed er afgørende for strukturelle batterier, så holdet beskadigede bevidst deres celler ved at stikke dem med en kniv. På trods af flere "sår, " batteriet fortsatte med at aflade tæt på dens designspænding. Dette er muligt, fordi der ikke er nogen væske at lække ud.

For nu, zinkbatterierne er bedst som sekundære strømkilder, fordi de ikke kan oplade og aflade så hurtigt som deres lithium-ion-brødre. Men Kotovs team har til hensigt at undersøge, om der findes en bedre partnerelektrode, der kan forbedre hastigheden og levetiden for genopladelige zinkbatterier.

Forskningen blev støttet af Air Force Office of Scientific Research og National Science Foundation. Kotov underviser i Institut for Kemiteknik. Han er også professor i materialevidenskab og teknik, og makromolekylær videnskab og teknik.