分布式能量存儲：生物電池可以為機器人提供72倍的能量

2020-08-27 技術力量


新型電池的結構示意圖

密西根大學領導的一個研究小組表明，就像生物脂肪儲藏在動物體內的能量一樣，新型的可充電鋅電池也被集成到機器人的結構中以提供更多的能量。

當機器人縮小到微米級及以下時，這種增加容量的方法將特別重要。在這種規模下，當前的獨立電池太大且效率低下。

密西根大學的三位工程學教授尼古拉斯·科託夫，約瑟夫·B·約瑟夫和佛羅倫斯·V·塞伊卡表示：「機器人的設計受到限制，因為它們通常需要佔用機器人內部可用空間的20％或更多，或佔機器人重量的相似比例的電池。」

從無人機、護士機器人到倉庫機器人，移動機器人的應用正在激增。在微觀方面，研究人員正在探索可以自我組裝成更大設備的集群機器人。多功能結構電池可能會釋放空間並減輕重量，但是到目前為止，它們只能補充主電池。

科託夫說：「就能量密度而言，沒有其他結構性電池可以與當今最先進的先進鋰電池相提並論。我們通過10種不同的措施改進了先前版本的結構鋅電池。」

能量密度和廉價材料的結合意味著新型電池可使機器人的作用範圍增加一倍。但是，這不是極限。研究人員估計，如果機器人的供電被鋅電池代替，那麼與單節鋰離子電池相比，機器人的動力容量將提高72倍。

新電池的工作原理是使氫氧離子在鋅電極和空氣側之間通過電解質膜。該膜部分是由芳族聚醯胺納米纖維和新型水基聚合物凝膠組成的網絡。凝膠有助於氫氧根離子在電極之間穿梭。

用廉價，豐富且基本無毒的材料製成，該電池比目前使用的電池更加環保。如果電池損壞，凝膠和芳族聚醯胺納米纖維將不會著火，這與鋰離子電池中的易燃電解質不同。芳族聚醯胺納米纖維可以從退役的防彈衣獲取。


生物電池的應用演示

為了演示其電池，研究人員嘗試了蠕蟲和蠍子形狀的常規尺寸和小型玩具機器人。該團隊用鋅空氣電池更換了原來的電池。他們將電池連接到電動機中，然後將它們包裹在履帶的外部。

科託夫實驗室的生物醫學工程專業的博士生艾哈邁德·埃姆雷說：「這種電池具有雙重功能，既可以用於存儲電荷，又可以成為保護機器人的器官，就像人體脂肪組織一樣，能夠能量存儲在生物體內。」


鋅電極表面經過一定次數循環後的掃描圖

普通鋅電池的缺點是它們的充電循環次數大約是100次左右，而不是我們期望的智慧型手機中鋰離子電池的500或更多。這是因為鋅金屬會形成尖峰，最終刺穿電極之間的膜。電極之間的強芳族聚醯胺納米纖維網絡是這種新型鋅電池相對較長的循環壽命的關鍵。廉價且可回收的材料使電池易於更換。

科託夫表示，除了化學電池的優勢外，該設計還可以實現從單個電池到分布式能量存儲的轉變。

科託夫說：「分布式能量存儲是一種生物方法，是高效生物形態設備的一種方法。」

《科學機器人》雜誌刊登了這項研究，標題為「機器人的生物形態結構電池」。

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