Veiligere, goedkopere en flexibelere batterij, uitgevonden voor draagbare technologie

Onderzoekers hebben een veiligere, goedkopere, beter presterende en flexibelere batterijoptie voor draagbare apparaten ontwikkeld. In het tijdschrift werd een artikel gepubliceerd waarin het “recept” voor hun nieuwe batterijtype werd beschreven Nano-onderzoeksenergie op 3 juni.

Fitness-trackers. Slimme horloges. Virtual reality-headsets. Zelfs slimme kleding en implantaten. Draagbare slimme apparaten zijn tegenwoordig overal. Maar voor meer comfort, betrouwbaarheid en een langere levensduur zullen deze apparaten een grotere mate van flexibiliteit en miniaturisering vereisen van hun energieopslagmechanismen, die vaak frustrerend omvangrijk, zwaar en kwetsbaar zijn. Bovendien mogen eventuele verbeteringen niet ten koste gaan van de veiligheid.

Als gevolg hiervan heeft een groot deel van het batterijonderzoek zich de afgelopen jaren geconcentreerd op de ontwikkeling van ‘micro’ flexibele energieopslagapparaten, oftewel MFESD’s. Er is een reeks verschillende structuren en elektrochemische grondslagen onderzocht, en daaronder bieden waterige microbatterijen veel duidelijke voordelen.

Waterige batterijen – batterijen die een oplossing op waterbasis als elektrolyt gebruiken (het medium dat het transport van ionen in de batterij mogelijk maakt en zo een elektrisch circuit creëert) zijn niets nieuws. Ze bestaan ​​al sinds het einde van de 19e eeuw.

Hun energiedichtheid – of de hoeveelheid energie die per volume-eenheid in de batterij zit – is echter te laag voor gebruik in zaken als elektrische voertuigen, omdat ze te veel ruimte in beslag zouden nemen. Lithium-ionbatterijen zijn veel geschikter voor dergelijk gebruik.

Tegelijkertijd zijn waterige batterijen veel minder brandbaar en dus veiliger dan lithium-ionbatterijen. Ze zijn ook veel goedkoper. Als gevolg van deze robuustere veiligheid en lage kosten worden waterige opties steeds vaker onderzocht als een van de betere opties voor MFESD’s. Dit worden waterige microbatterijen genoemd, of gewoon AMB’s.

“Tot nu toe hebben AMB’s hun potentieel helaas niet waargemaakt”, zegt Ke Niu, een materiaalwetenschapper bij het Guangxi Key Laboratory of Optical and Electronic Materials and Devices aan de Guilin University of Technology – een van de leidende onderzoekers op dit gebied. team. “Om in een draagbaar apparaat te kunnen worden gebruikt, moeten ze een zekere mate van buigen en draaien in de echte wereld kunnen weerstaan. Maar de meeste van de tot nu toe onderzochte apparaten falen bij dergelijke stress.”

Om dit te ondervangen zouden eventuele breuken of faalpunten in een AMB na dergelijke stress zelfherstellend moeten zijn. Helaas zijn de zelfherstellende AMB’s die tot nu toe zijn ontwikkeld vaak afhankelijk van metaalverbindingen als ladingsdragers in het elektrische circuit van de batterij.

Dit heeft het ongewenste neveneffect van een sterke reactie tussen de metaalionen en de materialen waaruit de elektroden (de positieve en negatieve elektrische geleiders van de batterij) zijn gemaakt. Dit vermindert op zijn beurt de reactiesnelheid van de batterij (de snelheid waarmee de elektrochemische reacties in het hart van elke batterij plaatsvinden), waardoor de prestaties drastisch worden beperkt.

“Dus zijn we begonnen met het onderzoeken van de mogelijkheid van niet-metalen ladingsdragers, omdat deze niet dezelfde problemen zouden ondervinden als gevolg van de interactie met de elektroden”, voegde Junjie Shi toe, een ander vooraanstaand lid van het team en onderzoeker bij de School of Physics and Center. voor Nanoscale Characterization & Devices (CNCD) aan de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Wuhan.