Tus rodillas y la batería de tu teléfono inteligente tienen necesidades sorprendentemente similares, un profesor de la Universidad de Michigan ha descubierto, y ese nuevo conocimiento ha llevado a un prototipo de "batería estructural" que incorpora un material similar a un cartílago para hacer que las baterías sean muy duraderas y fáciles de moldear.

La idea detrás de las baterías estructurales es almacenar energía en componentes estructurales:el ala de un dron o el parachoques de un vehículo eléctrico, por ejemplo. Han sido un objetivo a largo plazo para los investigadores y la industria porque podrían reducir el peso y extender el alcance. Pero las baterías estructurales hasta ahora han sido pesadas, de corta duración o inseguro.

En un estudio publicado en ACS Nano , los investigadores describen cómo hicieron una batería de zinc recargable resistente a los daños con un electrolito sólido similar a un cartílago. Demostraron que las baterías pueden reemplazar las carcasas superiores de varios drones comerciales. Las celdas prototipo pueden funcionar durante más de 100 ciclos al 90 por ciento de su capacidad, y soportar fuertes impactos e incluso puñaladas sin perder voltaje ni iniciar un incendio.

"Una batería que también es un componente estructural debe ser liviana, fuerte, seguro y de gran capacidad. Desafortunadamente, estos requisitos suelen ser mutuamente excluyentes, "dijo Nicholas Kotov, el Profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka, quien dirigió la investigación.

Aprovechando las propiedades del cartílago

Para evitar estas compensaciones, los investigadores utilizaron zinc, un material estructural legítimo, y nanofibras ramificadas que se asemejan a las fibras de colágeno del cartílago.

"La naturaleza no tiene pilas de zinc, pero tuvo que resolver un problema similar, "Dijo Kotov." El cartílago resultó ser un prototipo perfecto para un material transportador de iones en baterías. Tiene una mecánica asombrosa, y nos sirve durante mucho tiempo en comparación con lo delgado que es. Se necesitan las mismas cualidades de los electrolitos sólidos que separan cátodos y ánodos en las baterías ".

En nuestros cuerpos El cartílago combina resistencia mecánica y durabilidad con la capacidad de dejar agua, los nutrientes y otros materiales se mueven 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 al mismo tiempo que permite que los iones fluyan 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. cortocircuitar el circuito y potencialmente causar un incendio. El zinc se ha pasado por alto anteriormente para las baterías recargables porque tiende a producir un cortocircuito después de unos pocos ciclos de carga / descarga.

Las membranas fabricadas por el equipo de Kotov no solo pueden transportar iones de zinc entre los electrodos, también pueden detener las dendritas penetrantes del zinc. Como cartílago las membranas están compuestas de nanofibras ultrafuertes entretejidas con un material más blando que no daña los iones.

En las baterías las nanofibras de aramida, el material de los chalecos antibalas, sustituyen al colágeno, con óxido de polietileno (una cadena, molécula de carbono) y una sal de zinc que reemplaza los componentes blandos del cartílago.

Demostrar seguridad y utilidad

Para hacer células 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 pilas recargables, la membrana similar a un 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, masa del dron y condiciones de vuelo.

La seguridad es fundamental 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 líquido que se escape.

Por ahora, Las baterías de zinc son las mejores como fuentes de energía secundaria 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 existe un electrodo asociado mejor que podría mejorar la velocidad y la longevidad de las baterías recargables de zinc.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias. Kotov enseña en el Departamento de Ingeniería Química. También es profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y ciencia e ingeniería macromolecular.