Un profesor de la Universidad de Michigan descubrió que sus rodillas y la batería de su teléfono inteligente tienen necesidades sorprendentemente similares, y esa nueva información ha llevado a un prototipo de "batería estructural" que incorpora un material similar al cartílago para hacer que las baterías sean muy duraderas y fácilesDar forma.
La idea detrás de las baterías estructurales es almacenar energía en componentes estructurales, por ejemplo, el ala de un dron o el parachoques de un vehículo eléctrico. Han sido un objetivo a largo plazo para los investigadores y la industria porque podrían reducir el pesoy ampliar el alcance, pero las baterías estructurales hasta ahora han sido pesadas, de corta duración o inseguras.
En un estudio publicado en ACS Nano , los investigadores describen cómo fabricaron una batería de zinc recargable resistente al daño con un electrolito sólido similar al cartílago. Mostraron que las baterías pueden reemplazar las cubiertas superiores de varios drones comerciales. Las células prototipo pueden funcionar durante más de 100 ciclos a90 por ciento de capacidad, y soporta impactos duros e incluso apuñalamientos sin perder voltaje o encender un incendio.
"Una batería que también es un componente estructural debe ser liviana, fuerte, segura y de alta capacidad. Desafortunadamente, estos requisitos a menudo son mutuamente excluyentes", dijo Nicholas Kotov, profesor de ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka, quien dirigió la investigación.
Aprovechando las propiedades del cartílago
Para evitar estas compensaciones, los investigadores usaron zinc, un material estructural legítimo, y nanofibras ramificadas que se asemejan a las fibras de colágeno del cartílago.
"La naturaleza no tiene baterías de zinc, pero tuvo que resolver un problema similar", dijo Kotov. "El cartílago resultó ser un prototipo perfecto para un material de transporte de iones en baterías. Tiene una mecánica increíble, y nos sirvedurante mucho tiempo en comparación con lo delgado que es. Se necesitan las mismas cualidades de los electrolitos sólidos que separan los cátodos y los ánodos en las baterías ".
En nuestros cuerpos, el cartílago combina la resistencia mecánica y la durabilidad con la capacidad de permitir que el agua, los nutrientes y otros materiales se muevan a través de él. Estas cualidades son casi idénticas a las de un buen electrolito sólido, que tiene que resistir el daño de las dendritas mientras también permitelos iones fluyen de un electrodo a otro.
Las dendritas son zarcillos de metal que perforan el separador entre los electrodos y crean un carril rápido para los electrones, acortando el circuito y potencialmente provocando un incendio. El zinc se ha pasado por alto anteriormente para las baterías recargables porque tiende a cortarse después de solo unas pocas cargas/ ciclos de descarga.
Las membranas fabricadas por el equipo de Kotov no solo pueden transportar iones de zinc entre los electrodos, sino que también pueden detener las dendritas perforantes del zinc. Al igual que el cartílago, las membranas están compuestas de nanofibras ultrafuertes entretejidas con un material más suave que no daña los iones.
En las baterías, las nanofibras de aramida, las cosas en los chalecos antibalas, representan colágeno, con óxido de polietileno una molécula a base de carbono, en forma de cadena y una sal de zinc que reemplaza los componentes blandos del cartílago.
Demostrando seguridad y utilidad
Para hacer las celdas de trabajo, el equipo combinó los electrodos de zinc con óxido de manganeso, la combinación que se encuentra en las baterías alcalinas estándar. Pero en las baterías recargables, la membrana tipo cartílago reemplaza el separador estándar y el electrolito alcalino. Como baterías secundarias en drones, las celdas de zinc pueden extender el tiempo de vuelo entre un 5 y un 25 por ciento, dependiendo del tamaño de la batería, la masa del dron y las condiciones de vuelo.
La seguridad es crítica para las baterías estructurales, por lo que el equipo dañó deliberadamente sus células apuñalándolas con un cuchillo. A pesar de las múltiples "heridas", la batería continuó descargándose cerca de su voltaje de diseño. Esto es posible porque no hay líquidofiltrarse
Por ahora, las baterías de zinc son mejores como fuentes de energía secundarias porque no pueden cargarse y descargarse tan rápido como sus hermanos de iones de litio. Pero el equipo de Kotov tiene la intención de explorar si hay un mejor electrodo asociado que pueda mejorar la velocidad y la longevidadde pilas recargables de zinc.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencia. Kotov enseña en el Departamento de Ingeniería Química. También es profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y ciencia e ingeniería macromolecular.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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