Tyrėjai aprašo lanksčią, ungurį įkvėptą bateriją, sukurtą iš sukrautų itin plonų jonus laidžių hidrogelio sluoksnių, kurie generuoja pastovią, nešiojamiesiems įrenginiams tinkamo masto galią, o ne trumpalaikius impulsus. Įrenginys akcentuoja mažą vidinę varžą, mechaninį lankstumą, platų temperatūrinį tolerantiškumą ir netoksiškas medžiagas, kad būtų saugus naudoti nešiojamuosiuose įrenginiuose ir minkštojoje robotikoje. Ankstyvieji prototipai rodo didelį galios tankį, tačiau susiduria su jonų persiskverbimo ir parazitinių nuostolių iššūkiais, todėl aiškiai matomas medžiagų ir inžinerijos kelias link regeneracinio, savaime įsikraunančio veikimo.
Kas yra ungurį įkvėpta baterija ir kodėl ji svarbi
Kas išskiria ungurių įkvėptą bateriją, yra tai, kad ji imituoja elektrocytų sluoksninę struktūrą, kad gamintų nuolatinę, praktiškai panaudojamą elektros energiją, o ne trumpus didelės įtampos impulsus, kuriuos sukuria gyvas elektrinis ungurys.
Prietaisas įgyvendina sukrautus, jonams laidžius sluoksnius, kad generuotų pastovius potencialų gradientus ir tiektų ilgalaikę srovę.
Sluoksnių geometrija ir joniniai keliai optimizuojami siekiant sumažinti vidinę varžą ir maksimaliai padidinti galios tankį kompaktiškose, lanksčiose formose.
Medžiagoms teikiamas prioritetas dėl netoksiškumo ir mechaninio atitikties, kad būtų galima integruoti su minkštomis sistemomis.
Veikimo tikslai akcentuoja stabilų darbą plačiame temperatūrų diapazone ir taikymus, kuriems reikalingas patikimas, mažai priežiūros reikalaujantis maitinimas, ypač dėvimiesiems įrenginiams ir biomedicininiams jutikliams.
Hidrogelio sluoksniavimas ir gamyba (itin ploni, sukamuoju dengimu suformuoti µM sluoksniai)
Naudojant sukimo dengimą (spin coating) ultraploniems hidrogelio sluoksniams nusodinti, gamybos procesas sukuria sukrautus, joniniu būdu laidžius maždaug 20 µm storio sluoksnius, kurie apibrėžia įrenginio vidinę varžą ir mechaninį paslankumą.
Sluoksnio formulavimas subalansuoja klampumą, paviršiaus įtempimą ir kietėjimo kinetiką, kad būtų pasiekti tolygūs filmai be nušlapinimo.
Nuoseklus nusodinimas leidžia suformuoti daugiasluoksnes struktūras su kontroliuojamu tarpsluoksniniu sukibimu; storis tikrinamas profilometrija ir skerspjūvio SEM.
Joninis laidumas išsaugomas dėl tirpiklio išlaikymo ir polimerinio tinklo dizaino, o mechaninis tvirtumas atsparus šlyčiai tvarkymo metu.
Proceso parametrai (sukimosi greitis, pagreitis, išleidžiamas tūris, aplinkos drėgmė) optimizuojami, kad būtų pakartojamai gaunamos be defektų, lanksčios membranos integravimui.
Į ungurį įkvėptos hidrogelio baterijos našumas: galia, temperatūrų diapazonas, sauga
Nors įkvėpta biologinių elektrocitų, hidrogelio baterija demonstruoja ryškiai skirtingas veikimo charakteristikas, optimizuotas nuolatiniam galios tiekimui: ploni, sukamuoju būdu padengti joniniai sluoksniai sumažina vidinę varžą ir suteikia maždaug 44 kW/m³ išmatuotą galios tankį, leidžiantį praktiškai maitinti apkrovas be standaus hermetizavimo.
Našumo bandymai rodo stabilų įtampos lygį esant vidutinėms nuolatinėms apkrovoms, o vidinę varžą daugiausia lemia joninis laidumas ir tarpsluoksninis kontaktas.
Darbinis diapazonas apima nuo −80 iki 27 °C; sudėtys kelias dienas išlaiko surištą vandenį, užkirsdamos kelią užšalimui ir išlaikydamos laidumą.
Saugos rodikliai pabrėžia netoksiškas sudedamąsias dalis, mažą šiluminio išsibalansavimo riziką ir mechaninį tamprumą, kuris mažina lūžimo ir nuotėkio riziką deformacijos metu.
Praktiniai panaudojimo būdai šiandien: dėvimi įrenginiai, jutikliai, minkštoji robotika, implantai
Nuo nuolatinės sveikatos stebėsenos iki minkštųjų robotų aktuacijos – ungurį primenanti hidrogelio baterija siūlo kompaktišką, lankstų energijos šaltinį, atitinkantį nešiojamų, implantuojamų ir įterptųjų jutiklių formos bei saugos apribojimus.
Jos ploni (~20 μm) sukamuoju dengimu suformuoti hidrogelio sluoksniai pasižymi maža vidine varža ir išmatuotu galios tankiu (~44 kW/m³), todėl leidžia tiesiogiai maitinti mažos galios jutiklius, mikrovaldiklius ir minkštuosius aktuatorius be standžių korpusų.
Netoksiška chemija ir mechaninis atitiktumas leidžia konformiškai tvirtinti ant odos arba integruoti į minkštųjų robotų struktūras ir biomedicinos prietaisus.
Atsparumas veikimo temperatūroms (nuo −80 iki 27 °C) ir kelių dienų hidratacijos išlaikymas sudaro sąlygas praktiškam panaudojimui.
Ribos ir gairės: efektyvumo iššūkiai ir kelias į savęs įkrovimą
Skatinamas poreikio perkelti bioįkvėptą struktūrą į praktines energijos sistemas, dabartinis ungurį imituojantis hidrogelinis akumuliatorius susiduria su dviem pagrindiniais efektyvumo apribojimais: ribotu įkrovimo/iškrovimo Kulono efektyvumu dėl jonų persiskverbimo ir parazitinių redokso reakcijų hidrogelio sąsajose, bei energijos nuostoliais dėl vidinės varžos, nepaisant itin plonų sluoksnių.
Mažinimui reikalinga membranų inžinerija, skirta slopinti persiskverbimą, sąsajų dangos, skirtos inhibuoti šalutines reakcijas, ir laidūs priedai arba nanoskalės architektūros, kad būtų sumažinta vidinė varža neprarandant lankstumo.
Kelrodžio etapai apima Kulono efektyvumo padidinimą >99 %, energijos tankio didinimą išlaikant 44 kW/m³ galios tankį, ciklinių saviįsikrovimo mechanizmų pademonstravimą ir mastelio didinimui tinkamus gamybos protokolus.
