軟骨可能是安全「結構電池」的關鍵

軟骨可能是安全「結構電池」的關鍵

密歇根大學(University of Michigan)的一位教授發現，你的膝蓋和你的智慧型手機電池有著驚人的相似需求。這一 新髮現催生了一種「結構電池」原型，它採用軟骨狀材料，使電池具有高度的耐用性，並且易於塑形。結構電池背後的想法是將能量儲存在結構部件中——比如無人機的機翼或電動汽車的保險杠。它們一直是研究人員和業界的長期目標，因為它們可以減輕體重，擴大使用範圍。但迄今為止，結構電池都很重、壽命短或不安全。

研究中，研究人員描述了他們如何用軟骨狀固體電解質製造出一種具有抗損傷能力的可充電鋅電池。他們展示了這種電池可以替代幾架商用無人機的外殼。這種原型電池可以在90%的容量下運行100多個周期，並能承受猛烈的衝擊，甚至在不失去電壓或引發火災的情況下也能承受刺傷。「同時也是結構部件的電池必須重量輕、強度大、安全、容量大。」不幸的是，這些要求往往是相互排斥的。

為了避免這些權衡，研究人員使用了鋅——一種合法的結構材料——以及類似軟骨膠原纖維的支化奈米纖維。研究人員說，自然界沒有鋅電池，但它必須解決類似的問題。」軟骨被證明是電池中離子傳輸材料的完美原型。它有著驚人的力學性能，與它的厚度相比，它可以為我們服務很長一段時間。分離電池中陰極和陽極的固體電解質也需要同樣的質量。在我們的身體里，軟骨結合了機械強度和耐久性，以及讓水、營養物質和其他物質通過它的能力。這些特性幾乎與一種良好的固體電解質的特性相同，後者必須抵抗樹突的損傷，同時還要讓離子從一個電極流向另一個電極。

樹枝狀突起是一種金屬卷須，刺穿電極之間的隔膜，為電子創造一條快車道，使電路短路，並可能引發火災。鋅在可充電電池中一直被忽視，因為它往往在充電/放電幾次後就會短路。Kotov團隊製作的薄膜不僅可以在電極之間運送鋅離子，還可以阻止鋅穿透樹突。和軟骨一樣，膜由超強的奈米纖維和柔軟的離子友好材料交織而成。在電池中，芳綸奈米纖維——防彈背心上的材料——代表膠原蛋白，用聚乙烯氧化物(一種鏈狀碳基分子)和鋅鹽代替軟骨的軟成分。

為了製造工作電池，研究小組將鋅電極與氧化錳配對——氧化錳是標準鹼性電池中的一種化合物。但在可充電電池中，軟骨狀隔膜代替了標準隔膜和鹼性電解質。鋅電池作為無人機上的二次電池，可以根據電池的大小、質量和飛行條件，將飛行時間延長5%至25%。安全對於結構電池來說至關重要，因此研究小組故意用刀刺破電池。盡管有多個「傷口」，電池繼續放電接近其設計電壓。這是可能的，因為沒有液體泄漏。

目前，鋅電池是最好的二次電源，因為它們的充放電速度不如鋰離子電池。但是Kotov的團隊打算探索是否有一種更好的搭檔電極可以提高鋅充電電池的速度和壽命。