能量密度与廉价材料的完美组合,科学家开发出 72 倍锂电池容量的仿生电池

作者: | 发布日期: 2020 年 08 月 21 日 9:56 | 分类: 产业资讯

密西根大学(University of Michigan)领导的研究小组证明,就像生物脂肪能储备能量,新型可充电式锌电池(Zinc battery)能整合到机器人结构以提供更多能量。当机器人缩小到微米级(microscale)或更小时(目前的独立电池太大且效率太低),这种增加容量的方法将发挥特别重要的作用。

「机器人的设计受电池需求限制,电池通常占机器人内部可用空间 20% 左右,或占机器人重量的类似比例。」主掌研究的密西根大学「Joseph B. and Florence V. Cejka 」工程学教授 Nicholas Kotov 表示。

从防弹背心找出取之不尽的材料,比目前常用电池更环保

从快递无人机和自行车专用道外带服务机器人到机器人护士和仓储机器人等移动式机器人应用正大幅度成长。就微观部分而言,研究人员正在探索可自我组装成更大装置的群体机器人(Swarm Robots)。多功能结构电池可释放潜在空间并减轻重量,但到目前为止,只能当主电池的补充。

「就能量密度而言,没有任何一款已发表的结构性电池可与当今最先进的锂电池相提并论。为了实现目标,我们对先前版本的结构性锌电池进行 10 种改进,其中一些改进让能量密度提升 100 倍。」Kotov 表示。能量密度和廉价材料的结合意味着,电池可能已使快递机器人的移动范围增加一倍。

「然而这不是什么限制。我们估计,如果将机器人的外壳用锌电池取代,那么电力容量将达单颗锂离子电池的 72 倍。」研究论文第一作者 Kotov 实验室访问研究员 Mingqiang Wang 时表示。

这款新电池的工作原理是经由电解质膜(Electrolyte Membrane)而在锌电级和风侧之间传递氢氧根离子(Hydroxide Ions)。这种膜部分是由芳香族聚酰胺奈米纤维(Aramid Nanofiber,可在 Kevlar 防弹背心中找到的碳基纤维)和新型水基聚合物凝胶组成的网状结构物。这种凝胶有助于让氢氧根离子在电极间穿梭。

这款电池是由廉价、来源充足且大部分无毒的材料制成,比目前使用的电池更加环保。与锂离子电池采用易燃电解质不同,一旦电池受损,凝胶和芳香族聚酰胺奈米纤维也不会着火。芳香族聚酰胺奈米纤维可从报废防弹衣取得与补充。

透过图论法,加速分散式能量储存的发展脚步

为了展示电池,研究人员特别以常见体积的小型蠕虫和蝎子形状玩具机器人实验。团队将原来的电池更换成锌空气电池(Zinc-Air Cell)。电池连接到马达后,把马达缠绕在这些令人毛骨悚然的爬虫外壳上。

「能胜任双重任务(负责储存电荷并保护机器人的「器官」)的电池复制了生物体内专司能量储存脂肪组织的多种功能。」Kotov 实验室生物医学工程博士生 Ahmet Emre 指出。

锌电池的缺点在于,只能保存约 100 次循环的高容量,而不是我们期望像智慧手机锂离子电池的 500 次以上使用寿命。这是因为锌金属会形成最终刺穿电极之间薄膜的突波。电极间的芳香族聚酰胺奈米纤维网状结构物,是锌电池得以拥有相对较长循环使用寿命的关键。且廉价且可回收的材料使这类电池更换很容易。

Kotov 表示,除了电池化学反应的优势,透过密西根大学开发的图论法(Graph Theory Approach),这项设计可做到并加速从单一电池到分散式能量储存。

 

文章来源:Technews

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