软骨可能是安全“结构电池”的关键

软骨可能是安全“结构电池”的关键

密歇根大学(University of Michigan)的一位教授发现，你的膝盖和你的智能手机电池有着惊人的相似需求。这一新发现催生了一种“结构电池”原型，它采用软骨状材料，使电池具有高度的耐用性，并且易于塑形。结构电池背后的想法是将能量储存在结构部件中——比如无人机的机翼或电动汽车的保险杠。它们一直是研究人员和业界的长期目标，因为它们可以减轻体重，扩大使用范围。但迄今为止，结构电池都很重、寿命短或不安全。

研究中，研究人员描述了他们如何用软骨状固体电解质制造出一种具有抗损伤能力的可充电锌电池。他们展示了这种电池可以替代几架商用无人机的外壳。这种原型电池可以在90%的容量下运行100多个周期，并能承受猛烈的冲击，甚至在不失去电压或引发火灾的情况下也能承受刺伤。“同时也是结构部件的电池必须重量轻、强度大、安全、容量大。”不幸的是，这些要求往往是相互排斥的。

为了避免这些权衡，研究人员使用了锌——一种合法的结构材料——以及类似软骨胶原纤维的支化纳米纤维。研究人员说，自然界没有锌电池，但它必须解决类似的问题。”软骨被证明是电池中离子传输材料的完美原型。它有着惊人的力学性能，与它的厚度相比，它可以为我们服务很长一段时间。分离电池中阴极和阳极的固体电解质也需要同样的质量。在我们的身体里，软骨结合了机械强度和耐久性，以及让水、营养物质和其他物质通过它的能力。这些特性几乎与一种良好的固体电解质的特性相同，后者必须抵抗树突的损伤，同时还要让离子从一个电极流向另一个电极。

树枝状突起是一种金属卷须，刺穿电极之间的隔膜，为电子创造一条快车道，使电路短路，并可能引发火灾。锌在可充电电池中一直被忽视，因为它往往在充电/放电几次后就会短路。Kotov团队制作的薄膜不仅可以在电极之间运送锌离子，还可以阻止锌穿透树突。和软骨一样，膜由超强的纳米纤维和柔软的离子友好材料交织而成。在电池中，芳纶纳米纤维——防弹背心上的材料——代表胶原蛋白，用聚乙烯氧化物(一种链状碳基分子)和锌盐代替软骨的软成分。

为了制造工作电池，研究小组将锌电极与氧化锰配对——氧化锰是标准碱性电池中的一种化合物。但在可充电电池中，软骨状隔膜代替了标准隔膜和碱性电解质。锌电池作为无人机上的二次电池，可以根据电池的大小、质量和飞行条件，将飞行时间延长5%至25%。安全对于结构电池来说至关重要，因此研究小组故意用刀刺破电池。尽管有多个“伤口”，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，锌电池是最好的二次电源，因为它们的充放电速度不如锂离子电池。但是Kotov的团队打算探索是否有一种更好的搭档电极可以提高锌充电电池的速度和寿命。