Havadan nem çekerek elektrik üreten pil geliştirildi

Giyilebilir teknolojiler, dijital sağlık cihazları, akıllı medikal implantlar ve minyatür robotik sistemlere yönelik talep artarken, bu cihazlara güç sağlayan bataryaların boyut, güvenlik ve kullanım ömrü sınırlamaları önemli bir mühendislik sorunu olmaya devam ediyor. Lityum iyon pillerin hacimsel kısıtlamaları, sızıntı riskleri ve yanıcı sıvı elektrolit yapısı, özellikle esnek ve vücuda temas eden elektroniklerde yeni batarya çözümlerini öne çıkarıyor. Rice Üniversitesi ve North Carolina Eyalet Üniversitesi araştırmacıları, bu alanda havadaki nemle etkinleşen esnek ve gerilebilir bir batarya mimarisi geliştirdi. Nemle Etkinleşen Pil olarak tanımlanan sistem, harici sıvı eklenmesine gerek kalmadan ortam nemini kullanarak çalışıyor.

 

NEMİ ELEKTROLİTE DÖNÜŞTÜRÜYOR
Geliştirilen batarya, magnezyum anot, gümüş/gümüş klorür katot ve lityum klorür tuzlarıyla zenginleştirilmiş selüloz membran yapısından oluşuyor. Sistem, çevredeki havadan nem çekerek membran içindeki tuzları çözüyor ve bataryanın çalışması için gerekli elektrolit ortamını kendi içinde oluşturuyor. Böylece geleneksel pillerde kullanılan sıvı elektrolitlere ihtiyaç duyulmuyor. Bu yaklaşım, hem sızıntı riskini azaltıyor hem de esnek elektroniklerde daha güvenli bir enerji kaynağı geliştirilmesine imkan sağlıyor.

 

AMBALAJDAYKEN İNAKTİF KALIYOR
Bataryanın dikkat çeken özelliklerinden biri, kapalı koruyucu ambalaj içinde bulunduğu sürece tamamen inaktif kalması. Hücre, yalnızca ortamdaki nemli havayla temas ettiğinde etkinleşiyor. Bu yapı, bataryanın depolama ve sevkiyat süreçlerinde enerji kaybına uğramadan uzun süre saklanabilmesini sağlıyor. North Carolina Eyalet Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Yardımcı Doçenti Amay Bandodkar, sistemin yalnızca nemli havayla temas ettiğinde çalıştığını belirterek, kapalı ambalaj içindeki hareketsiz yapının bataryaya uzun raf ömrü kazandırdığını söyledi. Bandodkar, pilin temel olarak tuzlu su mekanizmasıyla çalışmasının toksik ve yanıcı sıvı elektrolit risklerini ortadan kaldırdığını ifade etti.

 

PANGOLİN PULLARINDAN ESİNLENDİ
Araştırma ekibi, bataryanın esnek ve gerilebilir yapısı için doğadan ilham alan bir tasarım kullandı. Esnek elektroniklerde sık kullanılan yılan kıvrımlı bağlantı hatları yerine pangolin pullarını andıran üst üste binmiş ölçekli bir dış kabuk mimarisi geliştirildi. Bu yapı, cihaz büküldüğünde, kıvrıldığında veya gerildiğinde oluşan boş alanı azaltıyor. Böylece batarya yüzeyinin daha verimli kullanılması ve deformasyon sırasında enerji yoğunluğunun korunması hedefleniyor.

 

ENERJİ YOĞUNLUĞUNU KORUYOR
Rice Üniversitesi Makine Mühendisliği Yardımcı Doçenti Raudel Avila, mekanik modellemelerin biyolojik esinli istifleme ve esnek ara bağlantıların deformasyon yükünü batarya boyunca daha dengeli dağıttığını gösterdiğini belirtti. Araştırmacılara göre bu yerleşim geometrisi, esneme ve genişleme döngülerinde bataryanın toplam enerji yoğunluğunu korumasına yardımcı oluyor. Ekip, teknolojinin işlevsel bir gösterimi olarak esnek bataryayı kablosuz bir Bluetooth oksimetre ünitesinde kullandı. Sistem, cihazı 30 saate kadar kesintisiz çalıştırabildi ve geleneksel lityum pillerle karşılaştırılabilir bir performans ortaya koydu.

 

ENTEGRE GÜVENLİK ANAHTARI BULUNUYOR
Yeni batarya mimarisine, nemle tetiklenen bir veri imha mekanizması da entegre edildi. Bu sistem, kapalı bir iç bölmede kuru alüminyum ve iyot tozu karışımı saklıyor. Cihaza yetkisiz müdahale edildiğinde veya dış kasa zorlanarak açılmak istendiğinde bölmenin izolasyonu bozuluyor. Ortamdaki nemin kimyasallarla reaksiyona girmesiyle açığa çıkan yüksek ısı, gömülü CMOS elektronik devrelerini tahrip ederek verilerin geri döndürülemez biçimde yok edilmesini sağlıyor. Araştırmacılar, bu mekanizmanın entegre edildiği kablosuz bir gaz sensörünün aktivasyon sonrasında üç dakika içinde imha edildiğini belirtti.

 

TIBBİ CİHAZLAR VE IOT İÇİN HEDEFLENİYOR
North Carolina Eyalet Üniversitesi’nden araştırmanın ortak yazarı Abraham Vázquez-Guardado, geliştirilen pilin yalnızca akademik bir konsept olmadığını, günlük IoT ağları ve tek kullanımlık tıbbi cihazlara güç sağlayabilecek pratik bir enerji kaynağı olarak tasarlandığını söyledi. Hafif, biyouyumlu, toksik olmayan ve biyolojik olarak parçalanabilir malzemelerden üretilen batarya, esnek medikal sarf malzemeleri ve giyilebilir cihazlar için lityum iyon pillere alternatif bir çözüm olarak öne çıkıyor. Araştırmacılar, nemle etkinleşen bu batarya mimarisinin güvenlik, esneklik ve depolama ömrü açısından yeni nesil mikro elektronik cihazlarda kullanım alanı bulabileceğini belirtiyor.