Профессор Мичиганского университета обнаружил, что ваши колени и аккумулятор смартфона имеют удивительно схожие потребности, и это новое понимание привело к созданию прототипа «структурной батареи», который содержит материал, похожий на хрящ, чтобы сделать батареи очень долговечными и простыми в форме.

Идея структурных батарей состоит в том, чтобы накапливать энергию в конструктивных элементах — например, в крыле дрона или бампере электромобиля. Они были долгосрочной целью для исследователей и промышленности, потому что они могли уменьшить вес и расширить диапазон. Но структурные батареи до сих пор были тяжелыми, недолговечными или небезопасными.

В исследовании, опубликованном в ACS Nano , исследователи описывают, как они создали устойчивую к повреждениям перезаряжаемую цинковую батарею с твердым электролитом, похожим на хрящ. Они показали, что батареи могут заменить верхние кожухи нескольких коммерческих беспилотников. Ячейки-прототипы могут работать более 100 циклов при 90-процентной емкости и выдерживать сильные удары и даже наносить удары без потери напряжения или возникновения пожара.

«Батарея, которая также является структурным компонентом, должна быть легкой, прочной, безопасной и иметь высокую емкость. К сожалению, эти требования часто взаимоисключающие», — сказал Николас Котов, профессор инженерных наук Джозеф Б. и Флоренс В. Джейка, который руководил исследованием.

Использование свойств хряща

Чтобы обойти эти компромиссы, исследователи использовали цинк — законный структурный материал — и разветвленные нановолокна, которые напоминают коллагеновые волокна хряща.

«У природы нет цинковых батарей, но она должна была решить аналогичную проблему», — сказал Котов. «Хрящ оказался идеальным прототипом для переносящего ионы материала в батареях. Он обладает удивительной механикой и служит нам в течение очень долгого времени по сравнению с тем, насколько он тонкий. Такие же качества необходимы для твердых электролитов, разделяющих катоды и аноды в аккумуляторах. »

В наших телах хрящ сочетает в себе механическую прочность и долговечность со способностью пропускать через него воду, питательные вещества и другие материалы. Эти качества почти идентичны качествам хорошего твердого электролита, который должен сопротивляться повреждению от дендритов, а также позволяет ионам течь от одного электрода к другому.

Дендриты — это металлические усики, которые пробивают сепаратор между электродами и создают быстрый переулок для электронов, замыкая цепь и потенциально вызывая пожар. Цинк ранее игнорировался для аккумуляторов, потому что он имеет тенденцию к короткому замыканию после нескольких циклов зарядки / разрядки.

Мало того, что мембраны, изготовленные командой Котова, могут переносить ионы цинка между электродами, они также могут останавливать проникающие дендриты цинка. Подобно хрящу, мембраны состоят из сверхпрочных нановолокон, переплетенных с более мягким, дружественным ионам материалом.

В батареях арамидные нановолокна — материал в пуленепробиваемых жилетах — заменяют коллаген с полиэтиленоксидом (цепочечная молекула на основе углерода) и соль цинка, заменяющие мягкие компоненты хряща.

Демонстрируя безопасность и полезность

Чтобы сделать работающие элементы, команда соединила цинковые электроды с оксидом марганца — комбинация, найденная в стандартных щелочных батареях. Но в перезаряжаемых батареях хрящевидная мембрана заменяет стандартный сепаратор и щелочной электролит. Как вторичные батареи на дронах, цинковые элементы могут увеличивать время полета на 5-25 процентов — в зависимости от размера батареи, массы беспилотника и условий полета.

Безопасность имеет решающее значение для структурных батарей, поэтому команда намеренно повредила их элементы, нанеся удар ножом. Несмотря на многочисленные «раны», батарея продолжала разряжаться вблизи своего расчетного напряжения. Это возможно, потому что нет утечки жидкости.

На данный момент цинковые батареи лучше всего подходят в качестве вторичных источников энергии, потому что они не могут заряжаться и разряжаться так же быстро, как их литий-ионные аккумуляторы. Но команда Котова намерена выяснить, есть ли лучший партнерский электрод, который мог бы улучшить скорость и долговечность цинковых аккумуляторов.

Работа выполнена при поддержке Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда. Котов преподает на кафедре химического машиностроения. Он также является профессором материаловедения и инженерии, а также макромолекулярной науки и техники.