安全“结构电池”的关键可能是软骨

密歇根大学教授发现，你的膝盖和智能手机电池有一些惊人相似的需求，新的见解导致了一种“结构电池”原型，它采用软骨状材料，使电池非常耐用，易于成型。

结构电池背后的想法是将能量存储在结构部件中-例如无人机的机翼或电动车辆的保险杠。它们一直是研究人员和工业界的长期目标，因为它们可以减轻重量并扩大范围。但到目前为止，结构电池一直很重，寿命很短或不安全。

软骨可能是安全“结构电池”的关键

在ACSNano发表的一项研究中，研究人员描述了他们如何制造出具有软骨状固体电解质的抗损伤可充电锌电池。他们表明，电池可以取代几个商用无人机的顶部外壳。原型电池可以90%的容量运行超过100次循环，并且可以承受硬冲击甚至刺伤而不会失去电压或起火。

“同样是结构部件的电池必须轻巧，坚固，安全且容量大。不幸的是，这些要求通常是相互排斥的，”JosephB.和FlorenceV.Cejka工程学教授NicholasKotov说。领导了这项研究。

利用软骨的特性

为了避开这些权衡，研究人员使用锌-一种合法的结构材料-和类似于软骨胶原纤维的分支纳米纤维。

“大自然没有锌电池，但它必须解决类似的问题，”科托夫说。“软骨原本是电池中离子传输材料的完美原型。它具有惊人的机械性能，与它的薄度相比，它可以长时间使用。与固体电解质分离阴极和电池中的阳极。“

在我们的身体中，软骨结合了机械强度和耐久性，能够让水，营养物质和其他物质通过它。这些品质几乎与良好的固体电解质相同，后者必须抵抗树枝状晶体的损害，同时还让离子从一个电极流到另一个电极。

树枝状晶体是金属的卷须，刺穿电极之间的隔板并为电子创造快速通道，使电路短路并可能引起火灾。锌之前因可充电电池而被忽视，因为在几次充电/放电循环后它往往会短路。

Kotov团队制造的膜不仅可以在电极之间运送锌离子，还可以阻止锌的刺穿树枝状晶体。与软骨一样，膜由超强纳米纤维与更柔软的离子友好材料交织而成。

在电池中，芳纶纳米纤维-防弹背心中的东西-代表胶原蛋白，聚环氧乙烷(链状碳基分子)和锌盐代替软骨的软组分。

展示安全性和实用性

为了制造工作电池，该团队将锌电极与氧化锰配对-这是标准碱性电池中的组合。但在可充电电池中，软骨状膜取代了标准的隔膜和碱性电解质。作为无人机上的二次电池，锌电池可将飞行时间延长5%至25%-具体取决于电池尺寸，无人机质量和飞行条件。

安全性对结构电池至关重要，因此团队用刀刺伤他们的细胞。尽管有多处“伤口”，但电池继续放电接近其设计电压。这是可能的，因为没有液体泄漏。

目前，锌电池最好作为二次电源，因为它们不能像锂离子电池那样快速充电和放电。但Kotov的团队打算探索是否有更好的伴侣电极可以提高锌充电电池的速度和寿命。

该研究得到了空军科学研究办公室和国家科学基金会的支持。科托夫在化学工程系任教。他还是材料科学与工程，大分子科学与工程的教授。