軟骨可能是安全“結構電池”的關鍵

密歇根大學教授發現，你的膝蓋和智能手機電池有一些驚人相似的需求，新的見解導致了一種“結構電池”原型，它采用軟骨狀材料，使電池非常耐用，易于成型。

結構電池背后的想法是將能量存儲在結構部件中 - 例如無人機的機翼或電動車輛的保險杠。它們一直是研究人員和工業界的長期目標，因為它們可以減輕重量并擴大范圍。但到目前為止，結構電池一直很重，壽命很短或不安全。

在ACS Nano發表的一項研究中，研究人員描述了他們如何制造出具有軟骨狀固體電解質的抗損傷可充電鋅電池。他們表明，電池可以取代幾個商用無人機的頂部外殼。原型電池可以90%%的容量運行超過100次循環，并且可以承受硬沖擊甚至刺傷而不會失去電壓或起火。

“同樣是結構部件的電池必須輕巧，堅固，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工程學教授Nicholas Kotov說。領導了這項研究。

利用軟骨的特性

為了避開這些權衡，研究人員使用鋅 - 一種合法的結構材料 - 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。它具有驚人的機械性能，與它的薄度相比，它可以長時間使用。與固體電解質分離陰極和電池中的陽極。“

在我們的身體中，軟骨結合了機械強度和耐久性，能夠讓水，營養物質和其他物質通過它。這些品質幾乎與良好的固體電解質相同，后者必須抵抗樹枝狀晶體的損害，同時還讓離子從一個電極流到另一個電極。

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造快速通道，使電路短路并可能引起火災。鋅之前因可充電電池而被忽視，因為在幾次充電/放電循環后它往往會短路。

Kotov團隊制造的膜不僅可以在電極之間運送鋅離子，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。

展示安全性和實用性

為了制造工作電池，該團隊將鋅電極與氧化錳配對 - 這是標準堿性電池中的組合。但在可充電電池中，軟骨狀膜取代了標準的隔膜和堿性電解質。作為無人機上的二次電池，鋅電池可將飛行時間延長5%%至25%% - 具體取決于電池尺寸，無人機質量和飛行條件。

安全性對結構電池至關重要，因此團隊用刀刺傷他們的細胞。盡管有多處“傷口”，但電池繼續放電接近其設計電壓。這是可能的，因為沒有液體泄漏。

目前，鋅電池最好作為二次電源，因為它們不能像鋰離子電池那樣快速充電和放電。但Kotov的團隊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研究辦公室和國家科學基金會的支持。科托夫在化學工程系任教。他還是材料科學與工程，大分子科學與工程的教授。