Lekkie i wytrzymałe akumulatory dzięki stałemu elektrolitowi

Naukowcy z Uniwersytetu Michigan, inspirując się naturą opracowali elektrolit w formie stałej („solid state electrolyte”). Elektrolit ten jest w stanie bardzo efektywnie transportować jony cynku, pozostając jednocześnie bardzo wytrzymały strukturalnie, zdolny oprzeć się różnym deformacjom elastycznym i plastycznym. Szczegóły tej technologii zostały przedstawione w publikacji pod tytułem „Biomimetic Solid-State Zn2+ Electrolyte for Corrugated Structural Batteries”, która pojawiła się w ACS Nano. Opisano tam lekkie akumulatory ładowalne Zn/Zn+2, oparte na tej technologii, które cechuje duża wytrzymałość i bezpieczeństwo. Stały elektrolit jest efektem próby naśladowania mechanicznych i elektrycznych właściwości chrząstki stawowej, znanej ze swojej włóknistej zawartości, wysokiej sprężystości deformacyjnej oraz świetnej przewodności jonowej. Zn2+ to stały i niekorodujący związek elektrolityczny złożonyze zoptymalizowanej mieszanki nano-włókien aramidowych (BNA) składających się na część mechaniczną oraz poli(tlenku etylenu) (PEO) i cynku Zn(CF3SO3)2 jako składowa odpowiedzialna za transport jonów. BANF replikuje włóknistą strukturę chrząstki stawowej. Służą one jako wysoce wytrzymałe komponenty elektrolitu kompozytowego, naśladując kolagenowe nano-włókna chrząstki, rozgałęziające się od głównego trzonu o średnicy 200-300 nm, w 5-6 punktów widłowych, których gałęzie mają 50-100 nm. Sam zaś związek (PEO) i Zn(CF3SO3)2 naukowcy przyrównali (jeśli chodzi o właściwości) do miękkiej, proteoglikanowej naturalnej części chrząstki. Naukowcy optymalizowali całą mieszankę PEO, cynku oraz mikstury BANF (PZB), w odniesieniu do przewodnictwa jonów Zn i właściwości mechanicznych, uzyskując współczynnik: 9:3:1. Powstały w ten sposób elektrolit oznaczono symbolem PZB-931. Prototyp akumulatora poddawano też różnym testom mechanicznym, w tym odkształceniom, formowaniu, stemplowaniu, a także cięciu i kłuciu (bez przebicia). Nie wykazano zbytniego wpływu na ich działanie. Ponadto, odpowiednie ich odkształcenie można wykorzystać, by stały się elementami np. pokryw dronów lub innych elementów konstrukcyjnych, jak podają naukowcy. Niezwykłe właściwości mechaniczne tych baterii łączą się z dużymi możliwościami jeśli chodzi o ilość przechowywanych ładunków, co można porównać do tego, co oferują cienkowarstwowe technologie litowe. Nowe akumulatory mogą więc dobrze odnaleźć się w wielu aplikacjach, ze względu na możliwość przystosowania ich do różnych warunków pracy, elementów konstrukcyjnych, nawet tych pofalowanych, zachowując przy tym małą wagę. Niestety mają też swoją wadę, dlatego póki co świetnie odnajdują się jako wtórne (drugie) źródło zasilania. Powodem jest to, że nie są w stanie się tak szybko rozładowywać i ładować, jak ich odpowiedniki litowo-jonowe. Jednocześnie naukowcy obiecują, że będą kontynuować pracę, by opracować lepszą elektrodę, która mogłaby poprawić prędkość i trwałość akumulatorów cynkowych. Inną bowiem ich niedoskonałością jest to, że po około 100 cyklach ładowania/rozładowania tracą około 10% swojej pojemności.