Knorpel könnte der Schlüssel zur Sicherheit von „Strukturbatterien“ sein.

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Ihre Knie und Ihr Smartphone-Batterie haben einige überraschend ähnliche Bedürfnisse, hat ein Professor der University of Michigan entdeckt, und diese neuen Erkenntnisse haben zu einem Prototyp einer „strukturellen Batterie“ geführt, der ein knorpelartiges Material enthält, um die Batterien sehr langlebig und einfach zu formen.

Die Idee hinter Strukturbatterien ist es, Energie in Strukturbauteilen zu speichern – zum Beispiel dem Flügel einer Drohne oder dem Stoßfänger eines Elektrofahrzeugs. Sie sind ein langfristiges Ziel für Forscher und Industrie, weil sie das Gewicht reduzieren und die Reichweite erhöhen können. Aber Strukturbatterien waren bisher schwer, kurzlebig oder unsicher.

In einer in ACS Nano veröffentlichten Studie beschreiben die Forscher, wie sie eine beschädigungsresistente wiederaufladbare Zink-Batterie mit einem knorpelartigen Festelektrolyten herstellen. Sie zeigten, dass die Batterien die oberen Gehäuse mehrerer handelsüblicher Drohnen ersetzen können. Die Prototyp-Zellen können mehr als 100 Zyklen bei 90 Prozent Kapazität laufen und widerstehen harten Stößen und sogar Stechen, ohne Spannung zu verlieren oder ein Feuer zu entfachen.

„Eine Batterie, die auch ein Strukturbauteil ist, muss leicht, stark, sicher und kapazitätsstark sein. Leider schließen sich diese Anforderungen oft gegenseitig aus“, sagte Nicholas Kotov, der Joseph B. und Florence V. Cejka Professor of Engineering, der die Forschung leitete.

Die Eigenschaften des Knorpels nutzen

Um diesen Kompromissen auszuweichen, verwendeten die Forscher Zink – ein legitimes Strukturmaterial – und verzweigte Nanofasern, die den Kollagenfasern des Knorpels ähneln.

„Die Natur hat keine Zink-Batterien, aber sie musste ein ähnliches Problem lösen“, sagte Kotov. „Knorpel erwies sich als perfekter Prototyp für ein ionenübertragendes Material in Batterien. Es hat eine erstaunliche Mechanik, und es dient uns für eine sehr lange Zeit, verglichen damit, wie dünn es ist. Die gleichen Eigenschaften werden von Festelektrolyten benötigt, die Kathoden und Anoden in Batterien trennen.“

In unserem Körper verbindet Knorpel mechanische Festigkeit und Haltbarkeit mit der Fähigkeit, Wasser, Nährstoffe und andere Materialien durch ihn hindurchfließen zu lassen. Diese Eigenschaften sind nahezu identisch mit denen eines guten Festelektrolyten, der Schäden durch Dendriten widerstehen und gleichzeitig Ionen von einer Elektrode zur anderen fließen lassen muss.

Dendriten sind Ranken aus Metall, die den Separator zwischen den Elektroden durchbohren und eine Überholspur für Elektronen schaffen, den Stromkreis kurzschließen und möglicherweise ein Feuer verursachen. Zink wurde bisher bei wiederaufladbaren Batterien übersehen, da es nach wenigen Lade-/Entladezyklen zu Kurzschlüssen neigt.

Die von Kotovs Team hergestellten Membranen können nicht nur Zinkionen zwischen den Elektroden transportieren, sondern auch die durchdringenden Dendriten von Zink stoppen. Wie der Knorpel bestehen die Membranen aus ultralangen Nanofasern, die mit einem weicheren, ionenfreundlichen Material verflochten sind.

In den Batterien stehen Aramid-Nanofasern – das Zeug in kugelsicheren Westen – für Kollagen, wobei Polyethylenoxid (ein kettenartiges Molekül auf Kohlenstoffbasis) und ein Zinksalz die weichen Bestandteile des Knorpels ersetzen.

Nachweis von Sicherheit und Nutzen

Um Arbeitszellen herzustellen, kombinierte das Team die Zinkelektroden mit Manganoxid – die Kombination aus Standard-Alkalibatterien. Bei den wiederaufladbaren Batterien ersetzt die knorpelartige Membran jedoch den Standard-Separator und den alkalischen Elektrolyten. Als Sekundärbatterien auf Drohnen können die Zinkzellen die Flugzeit um 5 bis 25 Prozent verlängern – je nach Batteriegröße, Masse der Drohne und Flugbedingungen.

Die Sicherheit ist für Strukturbatterien von entscheidender Bedeutung, weshalb das Team ihre Zellen absichtlich beschädigt hat, indem es sie mit einem Messer erstach. Trotz mehrerer „Wunden“ entlud sich die Batterie weiterhin in der Nähe ihrer Designspannung. Dies ist möglich, weil keine Flüssigkeit austreten kann.

Im Moment sind die Zink-Batterien am besten als sekundäre Stromquellen geeignet, da sie nicht so schnell auf- und abgeladen werden können wie ihre Lithium-Ionen-Brüder. Aber Kotovs Team will untersuchen, ob es eine bessere Partnerelektrode gibt, die die Geschwindigkeit und Langlebigkeit von wiederaufladbaren Zink-Batterien verbessern könnte.

Die Forschung wurde vom Air Force Office of Scientific Research and National Science Foundation unterstützt. Kotov lehrt an der Fakultät für Chemieingenieurwesen. Er ist außerdem Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie für makromolekulare Naturwissenschaften und Ingenieurwesen.

Mehr Informationen:
Mingqiang Wang et al. Biomimetischer Festkörper Zn2+ Elektrolyt für gewellte Strukturbatterien, ACS Nano (2019). DOI: 10.1021/acsnano.8b05068

tekk.tv

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