密歇根大學(xué)教授發(fā)現(xiàn)，你的膝蓋和智能手機(jī)電池有一些驚人相似的需求，新的見解導(dǎo)致了一種“結(jié)構(gòu)電池”原型，它采用軟骨狀材料，使電池非常耐用，易于成型。

結(jié)構(gòu)電池背后的想法是將能量存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)部件中 - 例如無人機(jī)的機(jī)翼或電動(dòng)車輛的保險(xiǎn)杠。它們一直是研究人員和工業(yè)界的長(zhǎng)期目標(biāo)，因?yàn)樗鼈兛梢詼p輕重量并擴(kuò)大范圍。但到目前為止，結(jié)構(gòu)電池一直很重，壽命很短或不安全。

在ACS Nano發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員描述了他們?nèi)绾沃圃斐鼍哂熊浌菭罟腆w電解質(zhì)的抗損傷可充電鋅電池。他們表明，電池可以取代幾個(gè)商用無人機(jī)的頂部外殼。原型電池可以90%%的容量運(yùn)行超過100次循環(huán)，并且可以承受硬沖擊甚至刺傷而不會(huì)失去電壓或起火。

“同樣是結(jié)構(gòu)部件的電池必須輕巧，堅(jiān)固，安全且容量大。不幸的是，這些要求通常是相互排斥的，”Joseph B.和Florence V. Cejka工程學(xué)教授Nicholas Kotov說。領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

利用軟骨的特性

為了避開這些權(quán)衡，研究人員使用鋅 - 一種合法的結(jié)構(gòu)材料 - 和類似于軟骨膠原纖維的分支納米纖維。

“大自然沒有鋅電池，但它必須解決類似的問題，”科托夫說。“軟骨原本是電池中離子傳輸材料的完美原型。它具有驚人的機(jī)械性能，與它的薄度相比，它可以長(zhǎng)時(shí)間使用。與固體電解質(zhì)分離陰極和電池中的陽(yáng)極。“

在我們的身體中，軟骨結(jié)合了機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，能夠讓水，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他物質(zhì)通過它。這些品質(zhì)幾乎與良好的固體電解質(zhì)相同，后者必須抵抗樹枝狀晶體的損害，同時(shí)還讓離子從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極。

樹枝狀晶體是金屬的卷須，刺穿電極之間的隔板并為電子創(chuàng)造快速通道，使電路短路并可能引起火災(zāi)。鋅之前因可充電電池而被忽視，因?yàn)樵趲状纬潆?放電循環(huán)后它往往會(huì)短路。

Kotov團(tuán)隊(duì)制造的膜不僅可以在電極之間運(yùn)送鋅離子，還可以阻止鋅的刺穿樹枝狀晶體。與軟骨一樣，膜由超強(qiáng)納米纖維與更柔軟的離子友好材料交織而成。

在電池中，芳綸納米纖維 - 防彈背心中的東西 - 代表膠原蛋白，聚環(huán)氧乙烷(鏈狀碳基分子)和鋅鹽代替軟骨的軟組分。

展示安全性和實(shí)用性

為了制造工作電池，該團(tuán)隊(duì)將鋅電極與氧化錳配對(duì) - 這是標(biāo)準(zhǔn)堿性電池中的組合。但在可充電電池中，軟骨狀膜取代了標(biāo)準(zhǔn)的隔膜和堿性電解質(zhì)。作為無人機(jī)上的二次電池，鋅電池可將飛行時(shí)間延長(zhǎng)5%%至25%% - 具體取決于電池尺寸，無人機(jī)質(zhì)量和飛行條件。

安全性對(duì)結(jié)構(gòu)電池至關(guān)重要，因此團(tuán)隊(duì)用刀刺傷他們的細(xì)胞。盡管有多處“傷口”，但電池繼續(xù)放電接近其設(shè)計(jì)電壓。這是可能的，因?yàn)闆]有液體泄漏。

目前，鋅電池最好作為二次電源，因?yàn)樗鼈儾荒芟皲囯x子電池那樣快速充電和放電。但Kotov的團(tuán)隊(duì)打算探索是否有更好的伴侶電極可以提高鋅充電電池的速度和壽命。

該研究得到了空軍科學(xué)研究辦公室和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持?？仆蟹蛟诨瘜W(xué)工程系任教。他還是材料科學(xué)與工程，大分子科學(xué)與工程的教授。