تامین انرژی ایمپلنت‌های پزشکی توسط یک میکرو باتری ولتاژ بالا

به گزارش مجله خبری نگار،یکی از چالش‌های دائمی تکنولوژیکی، دشواری در کاهش عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های بزرگ است که مانع از توانایی آن‌ها برای تامین انرژی میکرودستگاه‌ها، میکروربات‌ها و ایمپلنت‌های پزشکی می‌شود.

با این حال، محققان دانشگاه ایلینویز با توسعه یک میکرو باتری ولتاژ بالا (بالای۹ ولت) بر این چالش غلبه کرده اند.

پل براون استاد علوم و مهندسی مواد، (کرسی ممتاز گرینگر در مهندسی، مدیر آزمایشگاه تحقیقات مواد و نویسنده مسئول)، دکتر سونگ بونگ کیم (استادیار فعلی آکادمی نظامی کره، نویسنده همکار)، و ارگیا پاترا (دانشجوی تحصیلات تکمیلی و نویسنده همکار) اخیراً مقاله‌ای را منتشر کرده است که یافته‌های خود را در Cell Reports Physical Science شرح می‌دهد.

این تیم در پژوهش خود باتری‌های لیتیومی کاملا درز بندی شده، فشرده، ولتاژ‌های عملیاتی بی سابقه، چگالی توان و چگالی انرژی بالا را در پیکربندی‌های تک، دوتایی و سه تایی ارائه کردند.

براون توضیح می‌دهد: ما برای باز کردن پتانسیل کامل دستگاه‌های ریزمقیاس به باتری‌های کوچک قدرتمند نیاز داریم و به این هدف با بهبودی معماری الکترود و ارائه طرح‌های نوآورانه باتری می‌توانیم برسیم. مشکل این است که با کوچکتر شدن باتری ها، بسته بندی بر حجم و جرم باتری غالب می‌شود در حالی که ناحیه الکترود کوچکتر می‌شود. این باعث کاهش شدید انرژی و قدرت باتری می‌شود.

محققان با توسعه یک میکرو باتری ولتاژ بالا امکان جدیدی برای تامین انرژی میکرودستگاه‌ها، میکروربات‌ها و ایمپلنت‌های پزشکی ایجاد کردند.

این تیم فناوری در طراحی منحصر به فرد میکرو باتری ولتاژ بالا، طراحی جدیدی را توسعه دادند که از کلکتور‌های جریان ترمینال مثبت و منفی به عنوان بخشی از خود بسته بندی (به جای یک موجودیت جداگانه) استفاده می‌کرد. این اجازه می‌دهد تا حجم فشرده (≤ ۰.۱۶۵ cm۳) و کسر جرمی بسته بندی (۱۰.۲ ٪) کمتر از باتری‌ها باشد. علاوه بر این، آن‌ها سلول‌های الکترود را به صورت عمودی به صورت سری روی هم قرار دادند (بنابراین ولتاژ هر سلول اضافه می‌شود)، که ولتاژ بالای باتری را فعال کرد.

یکی دیگر از راه‌های بهبود این میکرو باتری‌های ولتاژ بالا استفاده از الکترود‌های بسیار متراکم است که چگالی انرژی بالایی را ارائه می‌دهد. تقریباً ۴۰ درصد الکترود‌های معمولی حجمی توسط پلیمر‌ها و افزودنی‌های کربن (نه مواد فعال) اشغال می‌شوند. گروه براون الکترود‌هایی را با تکنیک رسوب الکتریکی مستقیم با دمای متوسط رشد داده است که کاملاً متراکم و بدون مواد افزودنی پلیمر و کربن هستند.

این الکترود‌های کاملاً متراکم، چگالی انرژی حجمی بیشتری نسبت به همتایان تجاری خود ارائه می‌دهند. میکروباتری‌های این تحقیق با استفاده از الکترود‌های آبکاری شده متراکم DirectPlateTM LiCoO۲ تولید شده که توسط شرکت Xerion Advanced Battery ساخته شده‌اند.

پاترا می‌گوید: تا به امروز، معماری‌های الکترود و طرح‌های سلولی در مقیاس میکرونانو به طرح‌های متراکم توان محدود شده‌اند که به قیمت تخلخل و چگالی انرژی حجمی انجام می‌شود. کار ما برای ایجاد یک منبع انرژی در مقیاس کوچک که هم چگالی توان بالا و هم چگالی انرژی حجمی را نشان می‌دهد موفق بوده است.

یک حوزه کاربردی مهم این میکروباتری‌ها شامل نیرو دادن به میکروربات‌هایی به اندازه یک حشره برای به دست آوردن اطلاعات ارزشمند در هنگام بلایای طبیعی، ماموریت‌های جستجو و نجات در محیط‌های خطرناک است که دسترسی مستقیم انسان غیرممکن است.

جیمز پیکول، یکی از نویسندگان (استادیار، گروه مهندسی مکانیک و مکانیک کاربردی، دانشگاه پنسیلوانیا) اشاره می‌کند که ولتاژ بالا برای کاهش بار الکترونیکی که یک میکروربات باید حمل کند، مهم است.

۹ ولت می‌تواند مستقیماً موتور‌ها را تغذیه کند و اتلاف انرژی مرتبط با افزایش ولتاژ به صد‌ها یا هزاران ولت مورد نیاز برخی از محرک‌ها کاهش دهد. این بدان معناست که این باتری‌ها بهبود‌های سطح سیستم را فراتر از افزایش چگالی انرژی خود ممکن می‌سازند تا ربات‌های کوچک بتوانند دورتر سفر کنند یا اطلاعات حیاتی بیشتری را برای اپراتور‌های انسانی ارسال کنند.

کیم می‌افزاید: کار ما شکاف دانش را در تقاطع شیمی مواد، الزامات تولید مواد منحصر به فرد برای پیکربندی‌های میکروباتری ها، و نانو میکروالکترونیک که برای به حرکت درآوردن ریز محرک‌ها و میکروموتور‌ها به یک منبع تغذیه با ولتاژ بالا و از نوع روی برد نیاز دارد را پر می‌کند.

براون، که در زمینه کوچک سازی باتری، پیشگام است نتیجه می‌گیرد: طراحی میکرو باتری فعلی ما برای کاربرد‌های پرانرژی، توان بالا، ولتاژ بالا و تک تخلیه مناسب است. گام بعدی این است که طرح را به تمام پلتفرم‌های میکرو باتری‌های حالت جامد تبدیل کنیم، باتری‌هایی که ذاتاً ایمن‌تر و متراکم‌تر از همتایان سلول مایع هستند.