密歇根大学开发新型可充电锌电池集成到机器人中可提供72倍能量

密歇根大学领导的一个研究小组表明,就像生物脂肪储备能量在动物体内一样,新型的可充电锌电池也被集成到机器人结构中以提供更多的能量。相关研究成果发表在《科学机器人》杂志上。

当机器人缩小到微米级或以下(目前的独立电池太大且效率低下)时,这种增加容量的方法将特别重要。

“机器人的设计是由需要电池,往往占据20%以上的可用空间的限制内机器人,或考虑机器人的重量的比例相近,” 领导研究的工程学教授Nicholas Kotov, the Joseph B. and Florence V. Cejka说。

从交付无人机和自行车车道外出机器人到机器人护士和仓库机器人,移动机器人的应用正在激增。在微观方面,研究人员正在探索可以自我组装成更大设备的群机器人。多功能结构电池可能会释放空间并减轻重量,但是到目前为止,它们只能补充主电池。

“就能量密度而言,没有其他报告的结构性电池可以与当今最先进的先进锂电池相提并论。我们通过10种不同的措施改进了先前版本的结构性锌电池,其中一些措施要好100倍,做到这一点。” Nicholas Kotov说,能量密度和廉价材料的结合意味着电池可能已经使传送机器人的作用范围增加了一倍。

新电池的工作原理是使氢氧离子在锌电极和空气侧之间通过电解质膜。该膜部分是由芳族聚酰胺纳米纤维(在凯夫拉尔背心中发现的碳基纤维)和新的水基聚合物凝胶组成的网络。凝胶有助于氢氧根离子在电极之间穿梭。该电池由廉价,丰富且基本无毒的材料制成,比目前使用的电池更加环保。如果电池损坏,凝胶和芳族聚酰胺纳米纤维将不会着火,这与锂离子电池中的易燃电解质不同。芳族聚酰胺纳米纤维可以从退役的防弹衣升级。

密歇根大学开发新型可充电锌电池集成到机器人中可提供72倍能量
锌空气电池结构示意图,以及如何使用它为机器人提供能量示例图

为了演示其电池,研究人员尝试了蠕虫和蝎子形状的常规尺寸和小型玩具机器人。该团队用锌空气电池更换了原来的电池。他们将电池连接到电动机中,然后将它们包裹在令人毛骨悚然的履带的外面。科托夫实验室生物医学工程专业的博士生艾哈迈德·埃姆雷(Ahmet Emre)说:“具有双重职责的电池(用于存储电荷并保护机器人的“器官”)可以复制脂肪组织的多功能性,以将脂肪存储在生物体内。”

锌电池的缺点在于,可以维持约100个循环的高容量,而不是我们期望的智能手机中锂离子电池的500个或更多。这是因为锌金属形成了尖峰,最终刺穿了电极之间的膜。电极之间的强芳族聚酰胺纳米纤维网络是锌电池相对较长的循环寿命的关键。廉价且可回收的材料使电池易于更换。

Nicholas Kotov表示,除了电池化学作用的优势之外,该设计还可以使用UM开发的图论方法实现从单个电池到分布式能量存储的转变。

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