Cea mai bizară revoluție pentru baterii: cum sunt folosite oasele pentru reinventarea tehnologiei

Bateriile pe bază de litiu au fost mult timp regele electronicii. Alimentează totul, de la telefoane inteligente la mașini cu conducere automată – dar au și o problemă serioasă cu supraîncălzirea și, uneori, explodează.

În ultimul deceniu, în efortul de a dezvolta o opțiune mai sigură și mai eficientă, oamenii de știință s-au străduit să dezvolte o alternativă la litiu: bateria de sodiu. Dar există o problemă și aici: catozii – electrozii care transportă electronii printr-o baterie – pentru bateriile de sodiu sunt foarte instabili.

Baterii mai eficiente, inspirate de la natură

Pentru a remedia această problemă chimică, o echipă de oameni de știință a apelat la o soluție biologică care se inspiră de la oase. Prin crearea catozilor care imită oasele mamiferelor – interiorul spongios și exteriorul dur – oamenii de știință au găsit în cele din urmă o posibilă modalitate de a proiecta catozi de sodiu eficienți.

Într-un studiu care demonstrează conceptul, cercetătorii arată că o baterie de sodiu care folosește acest design reușește să-și mențină 91% din capacitatea sa pentru peste 10.000 de cicluri de încărcare.

Ca soluție alternativă pentru bateriile din litiu sau cele din sodiu, Ho Seok Park, co-autor al lucrării și inginer chimic la Universitatea Sungkyunkwan, și echipa sa și-au îndreptat atenția asupra unei resurse naturale abundente: corpul uman.

Mai precis, structura internă a oaselor mamiferelor. La fel ca în multe alte cazuri, natura poate fi cea mai bună sursă de inspirație.

“Credem că natura oferă o soluție foarte promițătoare pentru rezolvarea problemelor tehnice”, a spus Park. “În consecință, am încercat să găsim arhitectura ideală care poate rezolva aceste limitări cinetice și de stabilitate”.

Ce este în oase și care e legătura lor cu bateriile?

O parte din ceea ce face oasele mamiferelor atât de atrăgătoare ca model pentru catozii pentru baterii, este textura lor duală, explică echipa de studiu.

Exteriorul oaselor este compus din calciu dur, în mare parte inflexibil, dar interiorul osului – măduva – este mult mai spongios și mult mai flexibil.

“Osul spongios posedă o suprafață de zece ori mai mare decât osul compact”, scriu autorii. “Acest lucru creează efectul clasic compozit moale-dur, permițând osului să se flexeze sub stres și totuși să susțină structural sarcina corpului”.

Această integritate structurală este exact ceea ce lipsește bateriilor de sodiu.

O baterie “osoasă”

Desigur, pentru a crea bateria care să beneficieze de proprietățile oaselor, cercetătorii nu au folosit chiar oase ca material de lucru.

În loc de os, cercetătorii și-au creat bateria biomimetică folosind un sistem poros de elemente numit NVP pentru a imita măduva osoasă și o coajă densă de oxid de grafen pentru a imita exteriorul dur al osului.

La testarea stabilității noului lor catod, echipa a văzut câștiguri impresionante de stabilitate și o extindere generală a ciclului de viață pentru baterie.

Celula bateriei a fost capabilă să se încarce la viteze ultra-mari în doar 3,6 secunde și și-a putut menține 91% din capacitatea sa după 10.000 de cicluri de încărcare.

Pentru comparație, bateriile cu litiu durează de obicei doar între 400 și 1200 de cicluri.

În ciuda succesului inițial al acestui design, cercetătorii subliniază faptul că este doar un design proof-of-concept.

Cu toate acestea, cercetătorii speră că designul lor ar putea juca un rol important în detronarea bateriei cu litiu, într-un final.