Daha Uzun Ömürlü İmplante Edilebilir Piller

Daha Uzun Omurlu Implante Edilebilir Piller
Daha Uzun Omurlu Implante Edilebilir Piller - Yeni tip pil, hızlandırılmış fotoğraf serisinde birkaç gün içinde tamamen tükeniyor. Pil hücresinin rengi tükendikçe koyulaşıyor çünkü pil hücresinin içindeki yeni "katolit" maddesi kimyasal dönüşüm geçirerek kırmızımsı bir bileşiğe dönüşüyor. Krediler: Fotoğraf bilim insanlarının izniyle

Yeni bir strateji ile kalp pilleri ve diğer tıbbi cihazlar, uzun menzilli dronlar ve uzaktan kumandalı sensörler daha az pil değişimine ihtiyaç duyacak.

Şarj edilebilir lityum-iyon piller son birkaç on yıldır pil geliştirmenin ana odağı olmuş, elektrikli arabalardan taşınabilir cihazlara kadar her şeyde kullanılmış ve fiyat ve kapasite açısından önemli ölçüde gelişmiştir. Ancak, kalp pili gibi implante edilebilir tıbbi cihazlar gibi birçok önemli kullanım alanındaki kritik önemlerine rağmen, şarj edilemeyen piller bu süre zarfında fazla ilerleme kaydetmemiştir.

Şimdi, MIT araştırmacıları bu ana veya şarj edilemeyen pillerin enerji yoğunluğunu arttırmak için bir teknik buldular. Belirli bir güç ya da enerji kapasitesi seviyesi için, bu tekniğin kullanım ömründe %50’ye varan bir artış ya da boyut ve ağırlıkta orantılı bir azalma sağlayabileceğini ve aynı zamanda çok az ya da hiç ek masraf olmadan güvenliği arttırabileceğini iddia ediyorlar.

Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayınlanan bir makalede, MIT Kavanaugh Doktora Sonrası Araştırmacısı Haining Gao, yüksek lisans öğrencisi Alejandro Sevilla, makine mühendisliği doçenti Betar Gallant ve MIT ve Caltech’ten diğer dört araştırmacı, tipik olarak aktif olmayan pil elektrolitinin enerji dağıtımı için aktif olan bir malzeme ile değiştirilmesini içeren yeni bulguları açıklıyor.

Gallant’a göre, kalp pili veya diğer tıbbi implantların pil ömründe yapılacak herhangi bir iyileştirme hastanın yaşam kalitesini önemli ölçüde etkileyebilir çünkü bu cihazların pilinin değiştirilmesi ameliyat gerektirir. Birincil piller, belirli bir boyut ve ağırlık için şarj edilebilir pillerden yaklaşık üç kat daha fazla kapasiteye sahip olduğundan, bu tür önemli uygulamalar için kullanılırlar.

Gao’ya göre kapasite farkı nedeniyle birincil piller “şarjın mümkün olmadığı veya pratik olmadığı uygulamalar için gereklidir”. Yeni malzemeler vücut sıcaklığında çalışarak tıbbi implantlarda kullanım için uygun hale geliyor.

Uygulamalar ayrıca, pillerin daha soğuk sıcaklıklarda verimli bir şekilde çalışmasını sağlamak için daha fazla geliştirme ile implante edilebilir cihazlara ek olarak, örneğin gıda veya ilaç sevkiyatları için sıcaklık ve nem gereksinimlerinin nakliye süreci boyunca uygun şekilde korunmasını sağlamak için sevkiyat izleme cihazlarındaki sensörleri de içerebilir.

Ayrıca, uzun süreler boyunca konuşlandırılmaya hazır tutulması gereken uzaktan kumandalı hava veya denizaltı araçlarına da uygulanabilirler.

Kalp pillerinin pilleri genellikle beş ila on yıl dayanır ve defibrilasyon gibi yüksek voltajlı görevleri yerine getirmeleri gerekiyorsa çok daha az dayanırlar. Ancak Gao’ya göre, bu pillerin teknolojisinin olgunlaştığı düşünülüyor ve önceki 40 yıl boyunca “temel hücre kimyalarında önemli bir ilerleme kaydedilmedi.”

Pilin iki elektrik kutbu olan katot ve anot arasında yer alan ve yük taşıyıcılarının bir taraftan diğerine geçmesine izin veren malzeme elektrolittir. Bu yeni elektrolit türü, ekibin atılımının anahtarıdır. Bilim insanları, yeni bir sıvı florlu madde kullanarak katot ve elektrolitin işlevlerinin bir kısmını katolit olarak bilinen tek bir bileşikte birleştirebileceklerini keşfettiler.

Bu yeni bileşiğin yanı sıra teorik olarak yüksek kapasiteli bir bataryada benzer bir katolit rolü oynayabilecek başka maddeler de olmasına rağmen Gallant, bu maddelerin tipik bir kalp pili bataryasında veya CFx’de kalan maddelerden farklı olarak daha düşük doğal voltajlara sahip olduğunu açıklıyor. Voltaj uyumsuzluğu nedeniyle ekstra kapasite boşa harcanacaktır. Çünkü bataryanın toplam çıkışı iki elektrot malzemesinin toplamından daha fazla olamaz. Ancak Gallant, yeni madde ile “florlu sıvılarımızın önemli avantajlarından biri, voltajlarının CFx ile son derece iyi hizalanmasıdır” diyor.

Standart bir CFx pilin sıvı elektroliti çok önemlidir çünkü yüklü parçacıkların elektrotlar arasında serbestçe hareket etmesini sağlar. Ancak Gao’ya göre, “bu elektrolitler aslında kimyasal olarak inaktiftir, bu yüzden esasen ölü ağırlıktırlar.” Bu da pilin ana aktif bileşeni olan elektrolitin yaklaşık %50 oranında inaktif malzeme içerdiğini gösteriyor. Ancak Gao, florlu katolit malzemesinin kullanıldığı yeni tasarımla ölü ağırlık miktarının kabaca %20’ye düşürülebileceğini iddia ediyor.

Gallant’a göre yeni hücreler, formüllerinde tehlikeli ve aşındırıcı katolit elementler bulunmadığı için önerilen diğer kimyasal türlerine göre güvenlik avantajları da sunuyor. Ayrıca, ön testlerin pillerin bir yıldan fazla sabit bir raf ömrüne sahip olduğunu gösterdiğini, bunun da ana piller için çok önemli bir nitelik olduğunu ekliyor.

Ekip, hesaplamalarının öngördüğü enerji yoğunluğundaki %50’lik artışın tamamını deneysel olarak elde etmeyi henüz başaramadı. Gallant’a göre, %20’lik bir iyileşme gösterdiler ki bu da birçok uygulama için önemli bir gelişme olacaktır. Araştırmacılar, hücrenin tasarımı henüz tam olarak optimize edilmemiş olsa da, aktif malzemenin performansına dayanarak hücrenin performansını tahmin edebiliyorlar. Ölçek büyütüldüğünde, “hücre düzeyinde öngörülen performansın CFx hücresinden yaklaşık %50 daha yüksek olabileceğini görebiliyoruz” diyor. Ekibin bir sonraki hedefi deneysel olarak bu seviyeye ulaşmak.

Makine mühendisliği bölümünde doktora adayı olan Sevilla, önümüzdeki yıl bu göreve yoğunlaşacak. Bu araştırmaya, akla gelebilecek maksimum enerji yoğunluğunu neden elde edemediğimize dair bazı kısıtlamaları anlamaya çalışmak için getirildim, diyor. Yazar, “Benim rolüm, reaksiyonun altında yatan eksiklikleri anlamaya çalışmak oldu” diyor.

Gao’ya göre yeni malzemenin en önemli avantajlarından biri, sadece bir malzemeyi diğeriyle değiştirerek mevcut batarya üretim süreçlerine kolayca dahil edilebilmesi. Gao, üreticilerle yapılan ön görüşmelerin bu nispeten basit değişimi desteklediğini bildiriyor. Gao, şu anda başka nedenlerle kullanılan temel hammaddenin üretim için zaten ölçeklendirildiğini ve şu anda CFx pillerde kullanılan hammaddelere benzer şekilde fiyatlandırıldığını iddia ediyor. Ona göre, yeni malzemeden üretilen pillerin fiyatı muhtemelen şu anda piyasada bulunan pillerle benzer olacaktır.

Ekip, katolit için bir patent başvurusunda bulunmuş durumda ve tıbbi kullanımların muhtemelen ilk ticarileştirilenler olacağını, belki de tam ölçekli bir prototipin yaklaşık bir yıl içinde gerçek cihazlarda test edilebileceğini öngörüyorlar.

Araştırmacılara göre, yeni malzemelerin gelecekteki kullanım alanları arasında uzaktan okunabilen akıllı gaz veya su sayaçları ya da EZPass transponderleri gibi cihazların kullanım ömürlerini uzatmak yer alabilir. Drone uçakları veya su altı araçları için güç üretmek daha uzun sürebilir çünkü daha fazla güce ihtiyaç duyacaklardır. Petrol ve gaz sondaj kuleleri gibi uzak yerlerde kullanılan ekipmanların yanı sıra koşulları izlemek için kuyulara indirilen cihazlar için de bataryalar kullanılabilir.

Kaynak: news.mit.edu

 

Benzer Reklamlar

İlk yorum yapan olun

Yorumunuz