密歇根大學(xué)(UniversityofMichigan)的一位教授發(fā)現(xiàn)，你的膝蓋和你的智能手機(jī)電池有著驚人的相似需求。這一新發(fā)現(xiàn)催生了一種“結(jié)構(gòu)電池”原型，它采用軟骨狀材料，使電池具有高度的耐用性，并且易于塑形。結(jié)構(gòu)電池背后的想法是將能量儲存在結(jié)構(gòu)部件中——比如無人機(jī)的機(jī)翼或電動汽車的保險杠。它們一直是研究人員和業(yè)界的長期目標(biāo)，因為它們可以減輕體重，擴(kuò)大使用范圍。但迄今為止，結(jié)構(gòu)電池都很重、壽命短或不安全。

研究中，研究人員描述了他們?nèi)绾斡密浌菭罟腆w電解質(zhì)制造出一種具有抗損傷能力的可充電鋅電池。他們展示了這種電池可以替代幾架商用無人機(jī)的外殼。這種原型電池可以在90%的容量下運行100多個周期，并能承受猛烈的沖擊，甚至在不失去電壓或引發(fā)火災(zāi)的情況下也能承受刺傷?！巴瑫r也是結(jié)構(gòu)部件的電池必須重量輕、強(qiáng)度大、安全、容量大?！辈恍业氖牵@些要求往往是相互排斥的。

為了避免這些權(quán)衡，研究人員使用了鋅——一種合法的結(jié)構(gòu)材料——以及類似軟骨膠原纖維的支化納米纖維。研究人員說，自然界沒有鋅電池，但它必須解決類似的問題?！避浌潜蛔C明是電池中離子傳輸材料的完美原型。它有著驚人的力學(xué)性能，與它的厚度相比，它可以為我們服務(wù)很長一段時間。分離電池中陰極和陽極的固體電解質(zhì)也需要同樣的質(zhì)量。在我們的身體里，軟骨結(jié)合了機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，以及讓水、營養(yǎng)物質(zhì)和其他物質(zhì)通過它的能力。這些特性幾乎與一種良好的固體電解質(zhì)的特性相同，后者必須抵抗樹突的損傷，同時還要讓離子從一個電極流向另一個電極。

樹枝狀突起是一種金屬卷須，刺穿電極之間的隔膜，為電子創(chuàng)造一條快車道，使電路短路，并可能引發(fā)火災(zāi)。鋅在可充電電池中一直被忽視，因為它往往在充電/放電幾次后就會短路。Kotov團(tuán)隊制作的薄膜不僅可以在電極之間運送鋅離子，還可以阻止鋅穿透樹突。和軟骨一樣，膜由超強(qiáng)的納米纖維和柔軟的離子友好材料交織而成。在電池中，芳綸納米纖維——防彈背心上的材料——代表膠原蛋白，用聚乙烯氧化物(一種鏈狀碳基分子)和鋅鹽代替軟骨的軟成分。

為了制造工作電池，研究小組將鋅電極與氧化錳配對——氧化錳是標(biāo)準(zhǔn)堿性電池中的一種化合物。但在可充電電池中，軟骨狀隔膜代替了標(biāo)準(zhǔn)隔膜和堿性電解質(zhì)。鋅電池作為無人機(jī)上的二次電池，可以根據(jù)電池的大小、質(zhì)量和飛行條件，將飛行時間延長5%至25%。安全對于結(jié)構(gòu)電池來說至關(guān)重要，因此研究小組故意用刀刺破電池。盡管有多個“傷口”，電池繼續(xù)放電接近其設(shè)計電壓。這是可能的，因為沒有液體泄漏。

目前，鋅電池是最好的二次電源，因為它們的充放電速度不如鋰離子電池。但是Kotov的團(tuán)隊打算探索是否有一種更好的搭檔電極可以提高鋅充電電池的速度和壽命。