Forskere utvikler verdens første brenselcelle ved bruk av rustfritt stål, i stand til å drive smarttelefoner i en uke og forlenge droneflytiden med mer enn én time

I løpet av det siste tiåret har mobilteknologien utviklet seg raskt. Smarttelefoner, smartklokker, kameraer og droner har blitt mer intelligente og kraftige enn noen gang før.

Utviklingen av disse teknologiene har imidlertid alltid stått overfor én stor utfordring: energiforsyning.

Med innovative anvendelser av stålmaterialer kan denne begrensningen snart overvinnes, og skape en ny generasjon kraftløsninger for fremtidige elektroniske enheter.

Lengre-batteriteknologi

Forskere ved Pohang University of Science and Technology i Sør-Korea, ledet av professor Gyeong Man Choi og doktorgradsforsker Kun Joong Kim, utviklet en ny type brenselcelle ved å kombinere porøst rustfritt stål med tynn-filmelektrolytter og elektroder med minimal termisk kapasitet.

Den nye designen gir bedre holdbarhet og lengre levetid sammenlignet med tradisjonelle litium-ion-batterier.

Brenselcellen kan drive en smarttelefon i én uke etter en enkelt lading.

Forskerne utviklet en miniatyrbrenselcelle med fast oksid (SOFC) som kan gi nok energi til å betjene smarttelefoner i omtrent én uke og droner i mer enn én time.

De foreslo også at basert på dens strukturelle fordeler, kan teknologien potensielt utvikles til større og rimeligere brenselceller for neste-generasjons bilkraftsystemer.

Ved hjelp av en oksidelektrolytt overfører brenselcellen oksygenioner til brenselelektroden, og omdanner hydrogen til elektrisk energi.

Tradisjonelle miniatyrbrenselceller med fast oksid bruker ofte silisium som støttemateriale. Imidlertid kan termisk misforhold mellom silisium og elektrolyttmaterialer føre til rask nedbrytning under drift.

Kjernen i rustfritt stål

For å overvinne disse begrensningene valgte professor Choi et design basert på porøst rustfritt stål.

Sammenlignet med silisium-baserte strukturer, forbedret designen i rustfritt stål brenselcellenes ytelse og holdbarhet.

I følge professor Choi og hans forskerteam ble rustfritt stål valgt på grunn av dets utmerkede termodynamiske stabilitet, mekaniske styrke og motstand mot oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner.

For avanserte energienheter som mikro-SOFC-systemer er materialvalg avgjørende. Rustfrie stålprodukter som 304 Stainless Steel Plate er mye brukt i presisjonsapplikasjoner på grunn av deres balanserte korrosjonsmotstand, mekaniske egenskaper og fabrikasjonsytelse.

I mellomtiden gir 316 rustfri stålplate forbedret korrosjonsmotstand på grunn av molybdeninnholdet, noe som gjør den egnet for mer krevende miljøer der materialstabilitet er nødvendig.

Avansert produksjon av rustfritt stål for energiapplikasjoner

Miniatyrbrenselcellen ble produsert ved hjelp av en tape-støpe- og lamineringsprosess (TCL), en teknikk som ligner på 3D-utskrift som muliggjør presis produksjon av tynne-lagsstrukturer.

Bruken av rustfritt stålplate tillater ingeniører å utvikle lette og svært presise komponenter samtidig som den opprettholder strukturell styrke.

For neste-generasjons energiteknologier krever produsenter i økende grad materialer som kombinerer:

• Høy styrke
• Termisk stabilitet
• Korrosjonsbestandighet
• Nøyaktig dimensjonskontroll

Disse kravene gjør rustfritt stål til et viktig materialvalg for avanserte elektroniske-energirelaterte applikasjoner.

Fremtiden for bærbar kraft

Forskningen, publisert i Scientific Reports, viste at tynn-film-designede miniatyrbrenselceller med fast oksid (mikro-SOFC-er) kunne oppnå høyere spesifikk energi og energitetthet.

Hvis den kommersialiseres med hell, kan denne teknologien delvis erstatte litiumbatterier i bærbare elektroniske enheter.

Forskerne forklarte at denne batteriteknologien er egnet for bærbar elektronikk som krever høy effekttetthet og rask termisk sykling.

Selv om smarttelefoner, bærbare datamaskiner, bærbare enheter og droner forventes å være store applikasjoner, strekker de potensielle bruksområdene seg langt utover forbrukerelektronikk.

Fremtidige applikasjoner kan inkludere ultra-lette fly som e-Gull, neste-generasjons smarthus og til og med elektriske kjøretøyer som Tesla Model 3.

Ettersom energiteknologier fortsetter å utvikle seg, vil avanserte materialer, inkludert presisjonskomponenter i rustfritt stål, rustfrie stålplater og rustfrie stålplater, fortsette å støtte innovasjon innen brenselceller, elektronikk og rene energisystemer.