p Seus joelhos e a bateria do smartphone têm algumas necessidades surpreendentemente semelhantes, um professor da Universidade de Michigan descobriu, e essa nova percepção levou a um protótipo de "bateria estrutural" que incorpora um material semelhante a cartilagem para tornar as baterias altamente duráveis ​​e fáceis de moldar. p A ideia por trás das baterias estruturais é armazenar energia em componentes estruturais - a asa de um drone ou o pára-choque de um veículo elétrico, por exemplo. Eles têm sido uma meta de longo prazo para pesquisadores e indústria porque podem reduzir o peso e aumentar o alcance. Mas as baterias estruturais até agora têm sido pesadas, de curta duração ou inseguro.

p Em um estudo publicado em ACS Nano , os pesquisadores descrevem como eles fizeram uma bateria de zinco recarregável resistente a danos com um eletrólito sólido semelhante a cartilagem. Eles mostraram que as baterias podem substituir os invólucros superiores de vários drones comerciais. As células protótipo podem funcionar por mais de 100 ciclos a 90 por cento da capacidade, e resistir a impactos fortes e até mesmo facadas sem perder tensão ou iniciar um incêndio.

p “Uma bateria que também é um componente estrutural tem que ser leve, Forte, seguro e tem alta capacidade. Infelizmente, esses requisitos costumam ser mutuamente exclusivos, "disse Nicholas Kotov, Joseph B. e Florence V. Cejka Professor de Engenharia, quem liderou a pesquisa.

p Aproveitando as propriedades da cartilagem

p Para contornar essas compensações, os pesquisadores usaram zinco - um material estrutural legítimo - e nanofibras ramificadas que se assemelham às fibras de colágeno da cartilagem.

p “A natureza não tem baterias de zinco, mas tinha que resolver um problema semelhante, "Kotov disse." A cartilagem acabou por ser um protótipo perfeito para um material de transporte de íons em baterias. Tem uma mecânica incrível, e isso nos serve por muito tempo em comparação com o quão fino é. As mesmas qualidades são necessárias para eletrólitos sólidos separando cátodos e ânodos em baterias. "

p Em nossos corpos, a cartilagem combina resistência mecânica e durabilidade com a capacidade de deixar a água, nutrientes e outros materiais passam por ele. Essas qualidades são quase idênticas às de um bom eletrólito sólido, que tem que resistir aos danos dos dendritos, ao mesmo tempo que permite que os íons fluam de um eletrodo para o outro.

p Os dendritos são gavinhas de metal que perfuram o separador entre os eletrodos e criam uma via rápida para os elétrons, causando um curto-circuito no circuito e potencialmente causando um incêndio. O zinco foi negligenciado anteriormente para baterias recarregáveis ​​porque ele tende a entrar em curto após apenas alguns ciclos de carga / descarga.

p Não só as membranas feitas pela equipe de Kotov transportam íons de zinco entre os eletrodos, eles também podem impedir os dendritos penetrantes do zinco. Como a cartilagem, as membranas são compostas por nanofibras ultrafitas entrelaçadas com um material mais macio e amigável ao íon.

p Nas baterias, nanofibras de aramida - o material em coletes à prova de balas - substituem o colágeno, com óxido de polietileno (semelhante a uma cadeia, molécula à base de carbono) e um sal de zinco que substitui os componentes moles da cartilagem.

p Demonstrando segurança e utilidade

p Para fazer células de trabalho, a equipe emparelhou os eletrodos de zinco com óxido de manganês - a combinação encontrada em baterias alcalinas padrão. Mas nas baterias recarregáveis, a membrana semelhante à cartilagem substitui o separador padrão e o eletrólito alcalino. Como baterias secundárias em drones, as células de zinco podem estender o tempo de voo em 5 a 25 por cento - dependendo do tamanho da bateria, massa do drone e condições de voo.

p A segurança é crítica para baterias estruturais, então a equipe deliberadamente danificou suas células esfaqueando-as com uma faca. Apesar de múltiplas "feridas, "a bateria continuou a descarregar perto de sua voltagem projetada. Isso é possível porque não há nenhum líquido para vazar.

p Por enquanto, as baterias de zinco são melhores como fontes de alimentação secundárias porque não podem carregar e descarregar tão rapidamente quanto seus irmãos de íon de lítio. Mas a equipe de Kotov pretende explorar se existe um eletrodo parceiro melhor que poderia melhorar a velocidade e a longevidade das baterias recarregáveis ​​de zinco.

p A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pela Fundação Nacional de Ciência. Kotov leciona no Departamento de Engenharia Química. Ele também é professor de ciência de materiais e engenharia, e ciência e engenharia macromolecular.