Le tue ginocchia e la batteria del tuo smartphone hanno esigenze sorprendentemente simili, un professore dell'Università del Michigan ha scoperto, e quella nuova intuizione ha portato a un prototipo di "batteria strutturale" che incorpora un materiale simile alla cartilagine per rendere le batterie altamente resistenti e facili da modellare.

L'idea alla base delle batterie strutturali è di immagazzinare energia in componenti strutturali:l'ala di un drone o il paraurti di un veicolo elettrico, Per esempio. Sono stati un obiettivo a lungo termine per i ricercatori e l'industria perché potevano ridurre il peso ed estendere la portata. Ma le batterie strutturali sono state finora pesanti, di breve durata o non sicuri.

In uno studio pubblicato su ACS Nano , i ricercatori descrivono come hanno realizzato una batteria di zinco ricaricabile resistente ai danni con un elettrolita solido simile alla cartilagine. Hanno dimostrato che le batterie possono sostituire gli involucri superiori di diversi droni commerciali. Le celle prototipo possono funzionare per più di 100 cicli al 90% della capacità, e resistere a urti violenti e persino a coltellate senza perdere tensione o accendere un incendio.

"Una batteria che è anche un componente strutturale deve essere leggera, forte, sicuro e ad alta capacità. Sfortunatamente, questi requisiti spesso si escludono a vicenda, " ha detto Nicholas Kotov, il Professore di Ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka, che ha condotto la ricerca.

Sfruttare le proprietà della cartilagine

Per evitare questi compromessi, i ricercatori hanno utilizzato lo zinco, un materiale strutturale legittimo, e nanofibre ramificate che assomigliano alle fibre di collagene della cartilagine.

"La natura non ha batterie allo zinco, ma doveva risolvere un problema simile, " Kotov ha detto. "La cartilagine si è rivelata un prototipo perfetto per un materiale che trasporta ioni nelle batterie. Ha una meccanica incredibile, e ci serve per molto tempo rispetto a quanto è sottile. Le stesse qualità sono necessarie per gli elettroliti solidi che separano catodi e anodi nelle batterie".

Nei nostri corpi, cartilagine combina resistenza meccanica e durata con la capacità di lasciare l'acqua, nutrienti e altri materiali si muovono attraverso di esso. Queste qualità sono quasi identiche a quelle di un buon elettrolita solido, che deve resistere ai danni dei dendriti e allo stesso tempo lasciare che gli ioni fluiscano da un elettrodo all'altro.

I dendriti sono viticci di metallo che perforano il separatore tra gli elettrodi e creano una corsia preferenziale per gli elettroni, cortocircuitando il circuito e potenzialmente causando un incendio. Lo zinco è stato precedentemente trascurato per le batterie ricaricabili perché tende ad andare in cortocircuito dopo pochi cicli di carica/scarica.

Non solo le membrane realizzate dal team di Kotov possono trasportare ioni di zinco tra gli elettrodi, possono anche fermare i dendriti penetranti dello zinco. Come la cartilagine, le membrane sono composte da nanofibre ultra resistenti intrecciate con un materiale ionico più morbido.

Nelle batterie, le nanofibre di aramide, le cose nei giubbotti antiproiettile, sostituiscono il collagene, con ossido di polietilene (una catena, molecola a base di carbonio) e un sale di zinco che sostituisce i componenti molli della cartilagine.

Dimostrare sicurezza e utilità

Per creare celle funzionanti, il team ha accoppiato gli elettrodi di zinco con l'ossido di manganese, la combinazione che si trova nelle batterie alcaline standard. Ma nelle batterie ricaricabili, la membrana simile alla cartilagine sostituisce il separatore standard e l'elettrolita alcalino. Come batterie secondarie sui droni, le celle di zinco possono prolungare il tempo di volo dal 5 al 25 percento, a seconda delle dimensioni della batteria, massa del drone e condizioni di volo.

La sicurezza è fondamentale per le batterie strutturali, quindi la squadra ha deliberatamente danneggiato le loro cellule pugnalandole con un coltello. Nonostante le molteplici "ferite, " la batteria ha continuato a scaricarsi vicino alla sua tensione di progetto. Questo è possibile perché non c'è fuoriuscita di liquido.

Per adesso, le batterie allo zinco sono le migliori come fonti di alimentazione secondarie perché non possono caricarsi e scaricarsi velocemente come le loro sorelle agli ioni di litio. Ma il team di Kotov intende esplorare se esiste un elettrodo partner migliore che potrebbe migliorare la velocità e la longevità delle batterie ricaricabili allo zinco.

La ricerca è stata supportata dall'Air Force Office of Scientific Research e dalla National Science Foundation. Kotov insegna nel Dipartimento di Ingegneria Chimica. È anche professore di scienza e ingegneria dei materiali, e la scienza e l'ingegneria macromolecolari.