仿生电池可为机器人提供72倍以上的能量

在大流行期间，尼古拉斯·科托夫(NicholasKotov)实验室的工作仍在继续，因为研究人员开发了一种新的可充电锌电池，该电池集成到机器人的结构中以提供更多能量。

电池膜是一种基于软骨的纳米材料，使用回收的Kevlar。

“膜的设计基于30年来对膜的性质如何运作以及如何在适合大规模生产的材料中重建它的理解，”JosephB.和FlorenceV.Cejka教授NicholasKotov说领导这项研究的密歇根大学工程学博士。

这种增加容量的方法将特别重要，因为机器人缩小到微型及以下——当前独立电池太大且效率低下的规模。

“机器人设计受到电池需求的限制，电池通常占机器人内部可用空间的20%或更多，或者占机器人重量的相似比例，”Kotov说。

移动机器人的应用正在爆炸式增长，从送货无人机和自行车道外卖机器人到机器人护士和仓库机器人。在微观方面，研究人员正在探索可以自组装成更大设备的群体机器人。多功能结构电池可以潜在地释放空间并减轻重量，但直到现在它们只能补充主电池。

“在能量密度方面，没有任何其他结构电池可与当今最先进的先进锂电池相媲美。我们在10种不同的措施上改进了我们之前版本的结构锌电池，其中一些措施要好100倍，以实现这一目标，”科托夫说。

他说，能量密度和廉价材料的结合意味着电池可能已经使送货机器人的范围增加了一倍。

“然而，这不是极限。我们估计，与使用单个锂离子电池相比，如果机器人的外部更换为锌电池，则其功率容量可以提高72倍，”第一作者、最近在科托夫实验室担任访问研究员的王明强说。

新电池的工作原理是使氢氧离子通过电解质膜在锌电极和空气侧之间传递。该膜部分是芳纶纳米纤维网络——凯夫拉背心中的碳基纤维——和一种新的水基聚合物凝胶。凝胶有助于在电极之间穿梭氢氧根离子。

这种电池由廉价、丰富且基本无毒的材料制成，比目前使用的电池更环保。与锂离子电池中的易燃电解质不同，如果电池损坏，凝胶和芳纶纳米纤维不会着火。芳纶纳米纤维可以从退役的防弹衣中回收利用。

为了展示他们的电池，研究人员用蠕虫和蝎子形状的常规尺寸和微型玩具机器人进行了实验。该团队用锌空气电池替换了他们原来的电池。他们将电池连接到电机中，并将它们包裹在令人毛骨悚然的爬行器的外部。

科托夫实验室生物医学工程博士生艾哈迈德·埃姆雷(AhmetEmre)说：“具有双重功能的电池——储存电荷和保护机器人的‘器官’——复制了脂肪组织的多功能性，用于在生物体内储存能量。”

锌电池的缺点是它们可以在大约100次循环后保持高容量，而不是我们对智能手机中锂离子电池的预期500次或更多。这是因为锌金属形成尖峰，最终刺穿电极之间的膜。电极之间强大的芳纶纳米纤维网络是锌电池相对较长循环寿命的关键。廉价且可回收的材料使电池易于更换。

除了电池化学的优势外，Kotov表示，使用UM开发的图论方法，该设计可以实现从单个电池到分布式储能的转变。

Kotov说：“我们没有一个脂肪囊，它会很笨重，需要大量昂贵的能量转移。”“分布式储能，这是生物方式，是高效生物形态设备的出路。”

关于这项研究的论文“机器人的生物形态结构电池”将发表在《科学机器人》上。

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