Forskare utvecklar världens första bränslecell med rostfritt stål, som kan driva smartphones i en vecka och förlänga drönarflygtiden med mer än en timme
Under det senaste decenniet har mobiltekniken utvecklats snabbt. Smartphones, smarta klockor, kameror och drönare har blivit mer intelligenta och kraftfulla än någonsin tidigare.
Utvecklingen av dessa tekniker har dock alltid stått inför en stor utmaning: energiförsörjningen.
Med innovativa tillämpningar av stålmaterial kan denna begränsning snart övervinnas, vilket skapar en ny generation kraftlösningar för framtida elektroniska enheter.
Längre-Batteriteknik
Forskare vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea, ledda av professor Gyeong Man Choi och doktorandforskaren Kun Joong Kim, utvecklade en ny typ av bränslecell genom att kombinera poröst rostfritt stål med tunnfilmselektrolyter och elektroder med minimal termisk kapacitet.
Den nya designen ger bättre hållbarhet och längre livslängd jämfört med traditionella litium-jonbatterier.
Bränslecellen kan driva en smartphone i en vecka efter en enda laddning.
Forskarna utvecklade en miniatyrbränslecell med fast oxid (SOFC) som kan ge tillräckligt med energi för att driva smartphones i ungefär en vecka och drönare i mer än en timme.
De föreslog också att tekniken, baserat på dess strukturella fördelar, potentiellt skulle kunna utvecklas till större och mer överkomliga bränsleceller för nästa-generation av fordonskraftsystem.
Med hjälp av en oxidelektrolyt överför bränslecellen syrejoner till bränsleelektroden och omvandlar väte till elektrisk energi.
Traditionella miniatyrbränsleceller med fast oxid använder ofta kisel som stödmaterial. Emellertid kan termisk obalans mellan kisel och elektrolytmaterial leda till snabb nedbrytning under drift.
Kärnan i rostfritt stål
För att övervinna dessa begränsningar valde professor Choi en design baserad på poröst rostfritt stål.
Jämfört med kiselbaserade-strukturer förbättrade designen i rostfritt stål bränslecellens prestanda och hållbarhet.
Enligt professor Choi och hans forskargrupp valdes rostfritt stål på grund av dess utmärkta termodynamiska stabilitet, mekaniska styrka och motståndskraft mot oxidations- och reduktionsreaktioner.
För avancerade energienheter som mikro-SOFC-system är materialvalet avgörande. Produkter av rostfritt stål som 304 rostfritt stålplåt används ofta i precisionsapplikationer på grund av deras balanserade korrosionsbeständighet, mekaniska egenskaper och tillverkningsprestanda.
Samtidigt ger 316 rostfri stålplåt förbättrad korrosionsbeständighet på grund av dess molybdenhalt, vilket gör den lämplig för mer krävande miljöer där materialstabilitet krävs.
Avancerad tillverkning av rostfritt stål för energitillämpningar
Miniatyrbränslecellen tillverkades med en tejpgjutnings- och lamineringsprocess (TCL), en teknik som liknar 3D-utskrift som möjliggör exakt produktion av tunna-lagerstrukturer.
Användningen av rostfri stålplåt tillåter ingenjörer att utveckla lätta och mycket exakta komponenter samtidigt som strukturell styrka bibehålls.
För nästa-generations energiteknik kräver tillverkare i allt högre grad material som kombinerar:
- Hög styrka
- Termisk stabilitet
- Korrosionsbeständighet
- Exakt dimensionell kontroll
Dessa krav gör rostfritt stål till ett viktigt materialval för avancerade elektroniska och energirelaterade-tillämpningar.
Framtiden för bärbar kraft
Forskningen, publicerad i Scientific Reports, visade att tunn-film-designade miniatyrbränsleceller med fast oxid (mikro-SOFC) kunde uppnå högre specifik energi och energitäthet.
Om den kommersialiseras framgångsrikt kan denna teknik delvis ersätta litiumbatterier i bärbara elektroniska enheter.
Forskarna förklarade att denna batteriteknik är lämplig för bärbar elektronik som kräver hög effekttäthet och snabb termisk cykling.
Även om smartphones, bärbara datorer, bärbara enheter och drönare förväntas vara stora applikationer, sträcker sig de potentiella användningarna långt utöver hemelektronik.
Framtida tillämpningar kan omfatta ultra-lätta flygplan som e-Gull, nästa-generations smarta hem och till och med elfordon som Tesla Model 3.
När energitekniken fortsätter att utvecklas kommer avancerade material inklusive precisionskomponenter i rostfritt stål, rostfria stålplåtar och rostfria stålplåtar att fortsätta att stödja innovation inom bränsleceller, elektronik och rena energisystem.
