Kıkırdak benzeri malzeme, pilleri şekillendirmesi kolay hale getirmek için tasarlandı!

Dizlerinizin ve akıllı telefonunuzun bataryasının şaşırtıcı bir şekilde benzer ihtiyaçları var, bir University of Michigan profesörü bunu keşfetti ve bu durum, bataryaların yüksek dayanıklılık kazanması için kıkırdak benzeri bir malzeme içeren “yapısal batarya” prototipine yol açtı.

Yapısal pillerin arkasındaki fikir, örneğin yapısal dronun kanadı veya bir elektrikli aracın tamponu gibi yapısal bileşenlerde enerji depolamaktır. Araştırmacılar endüstri için uzun vadeli bir hedef oldular çünkü ağırlıklarını azaltabilir ve menzili uzatabilirlerdi. Ancak yapısal piller şu ana kadar ağır, kısa ömürlü veya güvensiz olmuştur.

ACS Nano’da yayınlanan bir çalışmada araştırmacılar, kıkırdak benzeri katı elektrolit ile hasarlara karşı dayanıklı, şarj edilebilir bir çinko bataryayı nasıl yaptıklarını açıklamakta. Pillerin, birkaç ticari uçağın üst kasasını değiştirebileceğini gösterdiler. Prototip hücreler, yüzde 90 kapasitede 100’den fazla devir boyunca çalışabilir ve sert darbelere dayanabilir ve hatta voltaj kaybetmeden veya bir yangına neden olmadan bıçaklanmaya dayanabilir.

“Yapısal bir bileşen olan bir akünün hafif, güçlü, güvenli ve yüksek kapasiteye sahip olması gerekir. Ne yazık ki, bu gereksinimler çoğu zaman birbirini dışlayan gereksinimler”, Araştırmayı yöneten Joseph B. ve Florence V. Cejka Mühendislik Profesörü Nicholas Kotov.

Kıkırdak özelliklerinin kullanılması

Bu değişimleri engellemek için araştırmacılar, meşru bir yapısal malzeme olan çinko ve kıkırdak kollajen liflerine benzeyen dallı nano lifler kullandılar.

Biyomedikal mühendisliği doktora adayı Ahmet Emrehan Emre, prototip bir yapısal bataryanın katodu olarak işlev görmesi için bir manganez oksit bulamacını bir alüminyum folyo üzerine dökerken. Kredi: Evan Dougherty, Michigan Engineering

Kotov, “Doğanın çinko pilleri yok ama benzer bir sorunu çözmek zorunda kaldı” dedi. “Kıkırdak, bataryalarda iyon taşıyan bir malzeme için mükemmel bir prototip olduğu ortaya çıktı. İnanılmaz bir mekaniği var ve ne kadar ince olduğuna göre bize çok uzun süre hizmet ediyor. Pillerde katotları ve anotları ayıran katı elektrolitlerden aynı özelliklere ihtiyaç duyulmaktadır.”

Vücudumuzda kıkırdak, su, besin maddeleri ve diğer malzemelerin içinden geçmesine izin verme yeteneği ile mekanik mukavemeti ve dayanıklılığı birleştirir. Bu nitelikler, iyonların bir elektrottan diğerine akmasına izin verirken dendritlerin zarar görmesine karşı koymak zorunda olan iyi bir katı elektrolitle neredeyse aynıdır.

Dendritler, elektrotlar arasındaki ayırıcıyı delen ve elektronlar için hızlı bir şerit oluşturan, devreyi kısaltan ve potansiyel olarak yangına neden olan metallerin dallarıdır. Çinko daha önce şarj edilebilir piller için göz ardı edildi, çünkü sadece birkaç şarj / deşarj döngüsünden sonra bitme eğiliminde.

Sadece Kotov ekibi tarafından yapılan membranlar elektrotlar arasındaki çinko iyonlarını feribotla karıştırmakla kalmaz, çinkodaki delici dendritleri durdurabilirler. Kıkırdak gibi, membranlar daha yumuşak iyon dostu bir malzeme ile iç içe geçirilmiş ultra ince nano liflerden oluşur.

Pillerde, aramid nano lifler (kurşun geçirmez yeleğin içindeki maddeler), polietilen oksit (zincir benzeri, karbon bazlı bir molekül) ve yumuşak kıkırdak bileşenlerinin yerine geçen bir çinko tuzu ile birliktedir.

Güvenlik ve fayda gösterme

Ekip, çalışma hücreleri yapmak için çinko elektrotları standart alkalin pillerde bulunan kombinasyon olan manganez oksitle eşleştirdi. Ancak şarj edilebilir pillerde, kıkırdak benzeri membran, standart ayırıcı ve alkalin elektrolitin yerini alır. Uçağın üzerindeki ikincil piller olarak, çinko hücreler, pilin boyutuna, uçağın kütlesine ve uçuş koşullarına bağlı olarak uçuş süresini yüzde 5 ila 25 oranında uzatabilir.

Güvenlik, yapısal aküler için çok önemlidir, bu nedenle ekip kasıtlı olarak hücrelerine bıçaklayarak bıçaklayarak zarar verdi. Birden fazla “yaraya” rağmen, batarya tasarım voltajına yakın olarak boşalmaya devam etti. Bu mümkün çünkü sızacak sıvı yok.

Şimdilik, çinko piller ikincil güç kaynakları olarak en iyisidir, çünkü lityum iyon kardeşleri kadar hızlı şarj edip boşaltamazlar. Ancak Kotov ekibi, çinko şarj edilebilir pillerin hızını ve ömrünü artırabilecek daha iyi bir ortak elektrot olup olmadığını araştırmayı hedefliyor.

Kredi: https://news.umich.edu/cartilage-could-be-key-to-safe-structural-batteries/