Cink-vazduh mikrobaterije omogućavaju robote veličine žive ćelije

Cink-vazduh mikrobaterija, sa zapreminom od samo dva pikolitara (2×10^-12 l), može da skladišti prosečno 7,7 mikrodžula energije i isporuči do 2,7 nanovata snage električnim komponentama, kao što su memristori, električna kola za određivanje takta i aktuatori. Ove mikrobaterije visoke energetske gustine su jednostavne za proizvodnju, a istraživači tvrde da bi mogle biti masovno proizvedene za napajanje koloidnih robota – mikrorobota koji mogu samostalno da se kreću kroz tečnosti, poput krvi.

U protekloj deceniji, interes za minijaturizaciju senzora, robota i računara značajno je porastao, od bežičnih mikroelektronskih sistema do pikolitarskih robota sposobnih da hodaju koristeći napredne aktuatorske noge. „Otključavanje aplikacija koje su nedostupne većim uređajima je glavna pokretačka snaga ovog trenda, koji bi mogao omogućiti isporuku lekova ćelijama kroz krv,“ kaže prvi autor Ge Zhang sa Stanford Univerziteta.

Međutim, ambicije za dodatnu miniaturizaciju bile su ometane konvencionalnim baterijama proizvedenim korišćenjem metoda mokre hemije, poput „slurry casting“-a, koje su nekompatibilne sa mikroelektronskom proizvodnjom i ograničavaju većinu mikrobaterija na milimetarsku skalu.

Minijaturni roboti i mikrobaterije omogućavaju direktnu isporuku lekova ćelijama kroz krv

Pored toga, čak i najmanji uređaji do danas se napajaju nepouzdanim izvorima, kao što su solarne ćelije, ili nemaju unutrašnji izvor napajanja. „Stoga je integracija malih baterija sa malim senzorima i robotima imperativna,“ kaže Zhang.

Istraživači su dizajnirali cink-vazduh bateriju visoke energetske gustine na skali koja ranije nije postignuta. To su uradili tako što su uzorak polimernog sloja postavili na silikonsku osnovu premazanu bakarnim i fotootpornim slojem. Zatim su postavili cinkovu anodu dimenzija 40 μm sa 50 μm i jednako veliku platinsku katodu na polimernu bazu. Bakarni sloj je uklonjen kada je uzorak uokviren oko baterije, otkrivajući fotootpor, koji je rastvoren u neutralnom rastvoru da bi se baterije oslobodile.

Kada je cink oksidovan, baterija je oslobodila energiju, pri čemu su pikolitarske baterije imale energetsku gustinu veću od 0,76 nanovatsati po pikolitru, sa otvorenim naponom od oko 1,05 V – najvišom energetskom gustinom ikada zabeleženom za uređaj za skladištenje energije ispod 1 μl zapremine.

Memristori bi mogli biti korišćeni kao skladište informacija za male koloidne robote. Senzori, aktuatori i takt-kola su takođe ključne komponente za autonomne mikrorobote. Tim je otkrio da cink-vazduh baterije mogu napajati sve ove uređaje.

Zhang kaže da cink-vazduh baterije ne mogu biti ponovo napunjene, a isto važi i za njihove mikroskopske verzije. „Možda bi mogle postati punjive korišćenjem Ag2O katode i integracijom elektrolita u sistem,“ kaže on. Ostale mane su da ove mikrobaterije imaju nisku gustinu snage u poređenju sa konvencionalnim uređajima i velike fluktuacije napona pred kraj pražnjenja, za koje Zhang pretpostavlja da su povezane sa rastom proizvoda pražnjenja, cink fosfata, piše chemistryworld.

„Kako je stabilno generisanje napona i ravna kriva pražnjenja jedna od najvažnijih prednosti cink-vazduh baterija, ovo je definitivno problem koji treba optimizovati,“ kaže Kerstin Neuhaus iz Helmholtz-Instituta Münster, koja nije bila uključena u rad. „S obzirom na to da je ovo više studija dokazivanja koncepta, rezultati su već veoma dobri i mislim da ovi problemi nisu nepremostivi.“