Chrząstka, która może zrewolucjonizować akumulatory

Dzięki przypominającemu chrząstkę materiałowi, baterie (a właściwie akumulatory) dla dronów i innych urządzeń elektronicznych mogą stać bezpieczniejsze, wytrzymalsze i mieć dowolny kształt– informuje pismo „ACS Nano”.

Idea "akumulatorów strukturalnych" polega na gromadzeniu energii w elementach konstrukcji, takich jak kadłub drona czy zderzak pojazdu elektrycznego. W ten sposób można by znacząco zmniejszyć masę pojazdu i zwiększyć jego zasięg.
Zespół prof. Nicholasa Kotova z University of Michigan (USA) opracował odporny na uszkodzenia mechaniczne akumulator cynkowy z przypominającym chrząstkę stałym elektrolitem.
Jak wykazali naukowcy, tego rodzaju bateriami można zastąpić górną część obudowy komercyjnych dronów.

Dotychczasowe rozwiązania okazywały się zbyt ciężkie, nietrwałe albo niebezpieczne. Źródło zasilania, które jest także elementem konstrukcyjnym, musi być jednocześnie lekkie, wytrzymałe, bezpieczne i mieć dużą pojemność. Niestety, te wymagania często wzajemnie się wykluczają.

Zespół prof. Nicholasa Kotova z University of Michigan (USA) opracował odporny na uszkodzenia mechaniczne akumulator cynkowy z przypominającym chrząstkę stałym elektrolitem. Jak wykazali naukowcy, tego rodzaju bateriami można zastąpić górną część obudowy komercyjnych dronów. Prototypowe ogniwa były w stanie pracować przez ponad 100 cykli przy 90 proc. wydajności i wytrzymywać silne uderzenia, a nawet przebicie nożem bez utraty napięcia lub zapłonu.

Aby uzyskać pożądane właściwości, naukowcy wykorzystali cynk (często używany jako materiał konstrukcyjny, zwłaszcza w postaci odlewów) oraz rozgałęzione nanowłókna, które przypominają włókna kolagenowe chrząstki.

Jak wyjaśnia prof. Kotov, znakomicie przepuszczająca wodę i substancje odżywcze chrząstka okazała się idealnym prototypem dla materiałów transportujących jony. Ma też znakomite właściwości mechaniczne i jest bardzo trwała, biorąc pod uwagę, jak cienką warstwą pokrywa kości. Te same właściwości powinien mieć elektrolit oddzielający katodę i anodę w akumulatorze.

W przypadku akumulatorów poważnym problemem są także dendryty - metalowe "wyrostki", które mogą przebić separator pomiędzy elektrodami i doprowadzić do zagrażającego pożarem zwarcia. Z ich powodu nie używano wcześniej cynku do wytwarzania akumulatorów - już po paru cyklach ładowania/rozładowania dendryty doprowadzały do zwarcia.

Membrany wykonane przez zespół Kotova nie tylko potrafią przenosić jony cynku pomiędzy elektrodami, ale również są w stanie zatrzymać cynkowe dendryty. Podobnie jak chrząstka, membrany składają się z niezwykle wytrzymałych nanowłókien aramidowych (stosowanych też do wytwarzania kamizelek kuloodpornych) połączonych z bardziej miękkim materiałem przepuszczającym jony (tlenek etylenu i sole cynku).

Aby utworzyć działające ogniwa, zespół z Michigan sparował elektrody cynkowe z tlenkiem manganu - połączenie występujące także w standardowych bateriach alkalicznych. Jednak w nowym akumulatorze membrana przypominająca chrząstkę zastępuje standardowy separator i alkaliczny elektrolit. Jako baterie pomocnicze dla drona, ogniwa cynkowe mogą wydłużyć czas lotu o 5 do 25 procent - w zależności od rozmiaru baterii, masy drona i warunków lotu.

Jako że w przypadku akumulatorów strukturalnych krytyczne znaczenie ma bezpieczeństwo, naukowcy celowo niszczyli ogniwa, przebijając je nożem. Jednak przedziurawiony w wielu miejscach akumulator nadal zachowywał napięcie, ponieważ nie dochodziło do wycieku elektrolitu.

Na razie ogniwa cynkowe nadają się tylko na dodatkowe źródła zasilania, ponieważ nie mogą ładować i rozładowywać się tak szybko, jak akumulatory litowo-jonowe. Zespół Kotova zamierza jednak zbadać, czy dałoby się opracować elektrody dające lepszą prędkość i żywotność.