Dina knän och ditt smartphone -batteri har några överraskande liknande behov, en professor i University of Michigan har upptäckt, och den nya insikten har lett till en "strukturbatteri" -prototyp som innehåller ett broskliknande material för att göra batterierna mycket hållbara och lätta att forma.

Tanken bakom strukturbatterier är att lagra energi i strukturella komponenter - vingen på en drönare eller stötfångaren på ett elfordon, till exempel. De har varit ett långsiktigt mål för forskare och industri eftersom de kan minska vikten och utöka räckvidden. Men strukturella batterier har hittills varit tunga, kortlivad eller osäker.

I en studie publicerad i ACS Nano , forskarna beskriver hur de tillverkade ett skadebeständigt laddningsbart zinkbatteri med en broskliknande fast elektrolyt. De visade att batterierna kan ersätta topphöljen på flera kommersiella drönare. Prototypcellerna kan köras i mer än 100 cykler med 90 procents kapacitet, och tål hårda stötar och till och med hugg utan att tappa spänning eller starta en eld.

"Ett batteri som också är en strukturell komponent måste vara lätt, stark, säker och har hög kapacitet. Tyvärr, dessa krav är ofta ömsesidigt uteslutande, "sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik, som ledde forskningen.

Utnyttja broskets egenskaper

För att kringgå dessa avvägningar, forskarna använde zink - ett legitimt strukturmaterial - och grenade nanofibrer som liknar broskets kollagenfibrer.

"Naturen har inga zinkbatterier, men det var tvunget att lösa ett liknande problem, "Sa Kotov." Brosk visade sig vara en perfekt prototyp för ett jontransporterande material i batterier. Den har fantastisk mekanik, och det tjänar oss väldigt länge jämfört med hur tunn det är. Samma egenskaper behövs från fasta elektrolyter som skiljer katoder och anoder i batterier. "

I våra kroppar, brosk kombinerar mekanisk styrka och hållbarhet med förmågan att släppa ut vatten, näringsämnen och andra material rör sig genom det. Dessa egenskaper är nästan identiska med egenskaperna hos en bra fast elektrolyt, som måste motstå skador från dendriter samtidigt som de låter joner flöda från en elektrod till den andra.

Dendriter är metallrör som tränger igenom avskiljaren mellan elektroderna och skapar en snabb bana för elektroner, kortslutning och eventuellt orsaka brand. Zink har tidigare förbises för laddningsbara batterier eftersom det tenderar att bli kort efter bara några laddnings-/urladdningscykler.

Membranen från Kotovs team kan inte bara färja zinkjoner mellan elektroderna, de kan också stoppa zinks genomträngande dendriter. Som brosk, membranen består av ultrastarka nanofibrer sammanvävda med ett mjukare jonvänligt material.

I batterierna, aramid nanofibrer - grejerna i skottsäkra västar - står för kollagen, med polyetenoxid (en kedjeliknande, kolbaserad molekyl) och ett zinksalt som ersätter mjuka broskkomponenter.

Demonstrerar säkerhet och användbarhet

För att göra fungerande celler, laget parade zinkelektroderna med manganoxid - kombinationen som finns i vanliga alkaliska batterier. Men i de laddningsbara batterierna, det broskliknande membranet ersätter standardseparatorn och alkalisk elektrolyt. Som sekundära batterier på drönare, zinkcellerna kan förlänga flygtiden med 5 till 25 procent - beroende på batteristorlek, massa drönare och flygförhållanden.

Säkerhet är avgörande för strukturella batterier, så laget skadade medvetet sina celler genom att sticka dem med en kniv. Trots flera "sår" "batteriet fortsatte att ladda ur nära dess designspänning. Detta är möjligt eftersom det inte finns någon vätska att läcka ut.

Tills vidare, zinkbatterierna är bäst som sekundära strömkällor eftersom de inte kan ladda och ladda ur lika snabbt som sina litiumjonbröder. Men Kotovs team avser att undersöka om det finns en bättre partnerelektrod som kan förbättra hastigheten och livslängden för laddningsbara zinkbatterier.

Forskningen stöddes av Air Force Office of Scientific Research och National Science Foundation. Kotov undervisar på Institutionen för kemiteknik. Han är också professor i materialvetenskap och teknik, och makromolekylär vetenskap och teknik.