生物形態電池可以為機器人提供72倍的能量

2020-09-03 工程學習

經過一定數量的循環後，鋅電極表面的掃描電子顯微鏡圖像。

密西根大學領導的一個研究小組表明，就像生物脂肪儲備將能量存儲在動物體內一樣，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或以下（目前的獨立電池太大且效率低下）時，這種增加容量的方法將特別重要。

「機器人的設計是由需要電池，往往佔據20％以上的可用空間的限制內機器人，或考慮機器人的重量的比例相近，」尼古拉斯·科託夫，約瑟夫B.和佛羅倫斯V.塞加卡說工程學教授，領導研究。

從交付無人機和自行車車道外出機器人到機器人護士和倉庫機器人，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。

「就能量密度而言，沒有其他報告的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性鋅電池，其中一些措施要好100倍，為了實現這一目標，」科託夫說。

他說，能量密度和廉價材料的結合意味著電池可能已經使傳送機器人的作用範圍翻了一番。

第一作者，最近訪問研究人員王明強說：「但是，這不是極限。我們估計，如果機器人的外觀被鋅電池代替，那麼與單節鋰離子電池相比，機器人的功率容量會提高72倍。」去科託夫的實驗室。

新電池的工作原理是使氫氧根離子在鋅電極和空氣側之間穿過電解質膜。該膜部分是由芳族聚醯胺納米纖維（在凱夫拉爾背心中發現的碳基纖維）和新的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。

該電池由廉價，豐富且基本無毒的材料製成，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升級。

鋅空氣電池的結構示意圖，以及如何使用它為機器人提供結構的示例。圖片提供：Alice Kitterman /科學機器人

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，然後將它們包裹在令人毛骨悚然的履帶的外部。

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（Ahmet Emre）說：「具有雙重職責的電池（用於存儲電荷並保護機器人的「器官」）可以複製脂肪組織的多功能性，以將脂肪存儲在生物體內。」

鋅電池的不利之處在於它們可以維持約100個循環的高容量，而不是我們期望的智慧型手機中鋰離子電池的500個或更多。這是因為鋅金屬形成了尖峰，最終刺穿了電極之間的膜。電極之間的強芳族聚醯胺納米纖維網絡是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。

Kotov表示，除了電池化學作用的優點外，該設計還可以使用UM開發的圖論方法實現從單個電池到分布式能量存儲的轉變。

科託夫說：「我們沒有一個單一的脂肪囊，它的體積很大，需要大量的能量轉移。」 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。」

這項研究的論文將在《科學機器人》上發表，題目為「機器人的生物形態結構電池」。

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