Хрящевая батарея питания разработана инженерами

Хрящевая батарея питания разработана инженерами

Специалистами Мичиганского университета обнаружено интересное сходство – колени пользователей смартфонов и аккумулятор этого устройства имеют удивительно схожие потребности. Такое необычное новое понимание привело к созданию прототипа «структурной батареи». Инновационный аккумулятор сделан на основе материала, напоминающего коленный хрящ, что делает батарею долговечной и простой по форме.

Об идее структурных источников питания

Идея структурных аккумуляторов базируется на принципе накопления энергии в конструктивных элементах. Так, конструктивным элементом может выступать крыло дрона или бампер электромобиля.

Структурные АКБ нацелены на долгосрочную исследовательскую промышленную перспективу. Объясняется это отсутствием решений по уменьшению веса и расширения диапазона. Существующие ныне структурные батареи – это тяжелые, недолговечные и небезопасные конструкции.

И вот, инженеры Мичиганского университета публикуют на страницах издания «ACS Nano» статью, где описывают, каким способом создать устойчивую к повреждениям, перезаряжаемую цинковую АКБ на твёрдом электролите, напоминающем хрящевую структуру.


Специалисты продемонстрировали, как такие батареи устанавливаются вместо верхних кожухов конструкций беспилотных летательных аппаратов. Ячейки-прототипы показали производительность на уровне более 100 циклов при 90% ёмкости, выдерживали сильные удары без потери напряжения и риска возникновения пожара.

Теоретически аккумулятор, являющийся структурным компонентом, — это легкий по весу, прочный, безопасный, высокой ёмкости продукт. Однако эти требования часто выглядят взаимоисключающими.

Свойства хряща для новой конструкции АКБ

С целью обхода отмеченных выше ограничений, инженерная группа решила использовать цинк — структурный материал, плюс разветвлённые нановолокна, напоминающие коллагеновые волокна хряща. У природы нет цинковых батарей, но природе прищлось решать аналогичную задачу на примере организма человека.

Хрящ оказался идеальным прототипом материала, пригодного для переноса ионов внутри конструкции АКБ. Хрящ обладает удивительной механикой и способен служить в течение очень длительного времени до полного износа структуры. Аналогичные качества необходимы для твердых электролитов, разделяющих катоды и аноды в аккумуляторах.

В организме человека хрящ сочетает механическую прочность и долговечность, благодаря способности пропускать воду, питательные вещества и другие материалы. Эти качества практически идентичны качествам хорошего твёрдого электролита, противостоящего дендритам, позволяющего ионам течь от одного электрода к другому.

Дендриты — металлические образования, проникающие в сепаратор между электродами, создающие переход для электронов, фактически замыкая цепь и потенциально вызывая пожар. Цинк ранее игнорировался под производство аккумуляторов, так как показывал тенденцию к короткому замыканию после нескольких циклов зарядки/разрядки.

Так вот, инженерами изготовлены специальные мембраны, способные переносить ионы цинка между электродами и останавливать проникающие дендриты цинка. Подобно хрящу, мембраны содержат сверхпрочные нановолокна, переплетенные с более мягким, нейтральным к ионам материалом.

Чтобы сделать рабочие элементы, специалисты соединили цинковые электроды с оксидом марганца — комбинация, используемая в стандартных щелочных батареях. Но в перезаряжаемых батареях хрящевая мембрана заменяет стандартный сепаратор и щелочной электролит.

Таким образом, цинковые батареи лучше всего подходят в качестве вторичных источников энергии, обеспечивая такой же быстрый заряд / разряд, как литий-ионные аккумуляторы.


При помощи информации: Umich


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *