Deze innovatieve batterij combineert hoge vermogensdichtheid met flexibiliteit en veiligheid, met een blik op zelfopladende toepassingen in de toekomst.
Wetenschappers van Penn State hebben een innovatieve batterij ontwikkeld die het vermogen van de elektrische aal nabootst. Volgens de studie, gepubliceerd in Advanced Science, combineert het ontwerp hoge vermogensdichtheid met flexibiliteit en veiligheid, zonder giftige materialen of stugge structuren. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor toepassingen in de medische technologie, wearables en zelfs zelf opladende batterijen.
Elektrische aal als inspiratiebron
Elektrische aalcellen, de zogenaamde elektrocyten, kunnen in korte tijd meer dan 600 volt elektriciteit genereren. Deze ultradunne biologische cellen hebben een slimme gelaagde structuur. Ze gebruiken efficiënte ionenstromen om veel energie uit een klein volume te halen.
“De elektrocyten van elektrische aal zijn ultradunne biologische cellen die enorme vermogensdichtheden bereiken. Dat betekent dat ze veel energie kunnen produceren vanuit een zeer klein volume,” vertelt Joseph Najem, assistent-professor mechanische techniek en corresponderend auteur van het onderzoek.
Eerdere pogingen om aal-geïnspireerde energiebronnen te ontwikkelen, leverden weinig vermogen en vereisten vaak mechanische steun. Daarom hebben Penn State-wetenschappers dit probleem aangepakt door ultradunne hydrogel-lagen van slechts 20 micrometer te maken.
Ultradunne laagjes voor maximale kracht
Met spin coating brachten de onderzoekers vier hydrogelmengsels op een roterend oppervlak aan. Hierdoor ontstonden ultradunne, stabiele lagen zonder extra structuur.
Dor Tillinger, doctoraalstudent en coauteur, legt uit: “Door de lagen dun te maken, verminderden we de interne weerstand van het materiaal, waardoor de vermogensdichtheid aanzienlijk toenam.”
Om stabiele lagen te creëren, verbeterden de onderzoekers de hydrogelchemie. Zo bleven de materialen sterk en elektrisch geleidend. Wonbae Lee, mede-eerst auteur, benadrukt: “Conventionele formules zouden tijdens het spin-coaten van het oppervlak vliegen. Het afstemmen van viscositeit en mechanische sterkte was essentieel.”
Flexibel, veilig en robuust
De nieuwe batterijen zijn niet-toxisch, flexibel en bestand tegen extreme omstandigheden. Ze behouden water meerdere dagen in open lucht en functioneren bij temperaturen van -80 tot 27 graden Celsius, zonder te bevriezen.
Met een vermogensdichtheid van 44 kW/m³ kunnen de hydrogels sensoren, controllers en wearables van energie voorzien, zonder rigide behuizing. Najem benadrukt: “Voor biomedische toepassingen moeten batterijen compatibel zijn met hun omgeving, flexibel, veilig en bij voorkeur in staat zijn zich op natuurlijke wijze op te laden.”
Toekomstperspectief: zelf opladende batterijen
Hoewel de huidige batterij nog niet zelfstandig oplaadt, werken de onderzoekers aan hogere vermogensdichtheid, betere oplaadefficiëntie en zelfopladende capaciteiten. Het doel is een batterij die naadloos geïntegreerd kan worden in biologische systemen of medische apparaten, zonder dat externe stroom nodig is.
Waarom dit belangrijk is
De aal-geïnspireerde hydrogelbatterijen zouden de toekomst van medische technologie, wearables en zachte robotica ingrijpend kunnen veranderen. Het combineren van veiligheid, flexibiliteit en hoge vermogensdichtheid zonder giftige materialen maakt een stap richting energiebronnen die direct in of op het lichaam kunnen functioneren.
Stabiel en bruikbaar energieplatform
Hoewel aalcellen korte pieken leveren, vertaalde Penn State dit naar een stabiele, bruikbare batterij. De nieuwe hydrogelbatterij combineert kracht, flexibiliteit en veiligheid en kan medische apparaten, wearables en andere toepassingen van energie voorzien waar traditionele batterijen tekortschieten.
Met toekomstige zelf opladende functies biedt deze aal-geïnspireerde innovatie een veelbelovende stap richting naadloos geïntegreerde energiebronnen, geïnspireerd door de Moeder Natuur.
