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科学家初次研制出“皮肤”电池:像脂肪相同包裹机器人体外

为了不让电池占有过多的机器人内部空间,一支中美科研团队直接把电池做成了外壳的形状。

哈尔滨工业大学黄玉东团队和密歇根大学工程学教授尼古拉斯 · 科托夫 (Nicholas Kotov) 领导的团队协作展现了一种新式的可充电锌电池,就像生物脂肪贮存能量相同,该电池能够集成在机器人的结构中,在充任机器人外壳的一起,为机器人供给电力。

团队表明,对大都脊椎动物来说,脂肪组织能为动物体供给支撑、维护,在特定条件下又能供给能量。这项研讨由此取得创意。

该研讨也是初次成功将电池做成机器人的“皮肤”,并成功驱动机器人运动。相关研讨宣布在近期的《科学机器人》上。论文榜首作者为哈尔滨工业大学化工学院博士后研讨员王明强。

团队以为,这种既能作为结构供给支撑,一起还能供给能量的电池,将能替代部分电子设备对独立电池的依靠,在无人机等设备上具有宽广的运用行进。而这项研讨所代表的用分布式储能替代传统独立电池的新方向,或许成为未来的长期趋势。

机器人“脂肪”

密歇根大学工程学教授尼古拉斯 · 科托夫表明,电池的存在约束了机器人的规划,由于电池一般占去了各种电子设备 20% 的内部空间,于此一起,电池在质量上所占的份额一般也只多不少。

这带来的结果是,一切内置电池的电子设备都需求将很多的空间和质量留给电池。对体积有限的设备来说,例如移动机器人,电池的质量也变相下降了其续航才干。

“所以咱们想提出这样的概念,就像人领会储藏很多的脂肪,不只能够给人体供给一些保暖流抗冲击的功用,一起在必要的时分也能经过反响供给能量,保持人体的正常工作。”王明强表明。

根据这个主意, 团队期望经过技能手段,推翻此前必需求留出固定方位贮存电池的传统思路,而把电池放在外壳等结构上,既能够充任外壳,具有应有的维护等功用;又能供给能量,还节省出电池贮存空间,并终究完成设备的长期运用。

根据这两大功用的交融,这项技能被命名为结构电池。

研讨团队在锌空气电池技能的根底之上,根据一种名为凯夫拉纤维复合资料制成了新的固态电解质,初次制备出了结构电池。

该电池不只具有杰出的柔韧性,能够灵敏包覆在不同物体外表,还处理了锌电池常见的结晶、变形问题,将运用寿数进步到了 100 小时以上。

为了演示电池的功用,研讨团队在小型的蠕虫和蝎子状的小型机器人上进行实验,用锌空气电池替待了原有的电池,连接到小型电机上,一起新式电池并不是放在原有的方位,而是包裹在机器人的外部。

在敞开后,机器人能够正常运动,显示出这种结构电池完成了供电才干。

图 | 包裹着电池的机器人

毫米级厚度柔性电池

王明强表明,要让电池具有作为机器人外壳的功用,电池自身需求有几个特色:包含高柔性、杰出的机械功用和安全性等。

在归纳考虑之下,团队挑选了锌空气电池技能道路。从安全性视点看,金属锌在室温空气中是能够安稳存在的,不像锂或许会产生自燃;此外,锌电池的理论能量密度更高;并且愈加环保。

在功用方面,论文指出,锌空气电池特别适协作为生物形状结构电池,其理论能量密度较高,一起锌电极能够满意结构电池对刚度和柔韧性的要求。

惯例锌电池的缺陷在于循环寿数缺乏,最大寿数约为 100 次充放电。而咱们在日常的手机、电脑等常见设备中的锂电池,循环寿数一般需求到达 500 次以上。这是由于金属锌常常在反响中构成结晶,然后刺穿电极之间的薄膜。

“选完电池的系统之后,咱们就想怎么把它做的薄一点,功用强一点,一起又能够安稳地输出能量。”

把锌电池做好是整个研讨工作的难点,也是最为中心的部分。

一般来说,在电池的首要结构——正极、负极、电解质——傍边,电解质的功用像是木桶上的最短板,对电池功用有着至关重要的效果。

其间,电解质又能大致分为固态、液态和半液半固。但现在现已大规模运用的液态电解质被很快扫除在外,由于设备运用过程中不免呈现磕碰,这会容易形成电解质的走漏。另一方面,常见的固态电池自身的离子电导率较低,功用也较差。

研讨团队就设定方针,要开宣布一种具有高电导率、安稳性好、高柔性和压缩性、高耐热性等一系列功用的电解质。

根据此次研讨参加方、美国密歇根大学 Kotov 实验室的研讨根底,协作团队初次采用了一种以凯夫拉纤维为基体的一种固态电解质。

凯夫拉纤维为人熟知的用处,便是用于高功用的防弹衣。

不过传统的凯夫拉纤维直径较大,一般到达十几微米。王明强介绍称,比较传统纤维,他们所运用的凯夫拉纤维有着超强的力学功用。

团队首要经过化学办法将其 “打散” 成直径为十几纳米的纤维,以此为骨架,灌入聚合物来制备成复合的电解质。也正是由于有纤维骨架的存在,电池在充放电过程中不会再产生形变,大幅延长了运用寿数。

另一方面,纳米级的纤维能够损坏聚合物的结晶,有助于离子电导率的经过;终究,与人体的肌肉纤维相似,该电解质在有了骨架作为包覆的情况下,力学功用就会变得十分优异。

据介绍,该团队现已将带电解质隔阂的厚度下降至 10 多微米,再加上正极、负极之后,整个电池的厚度约为 1-2 毫米。

这种电池由廉价、丰厚且大部分无毒的资料制成,比现在运用的电池愈加环保。与锂电池不同的是,在电池损坏时,其间的凝胶和凯夫拉纤维均不会着火,确保了电池的安全性。

未来的电池能够是:没有电池

结构电池能够消除电池对设备带来的规划上的约束,成为未来机器人技能的重要部分。

不过在那之前,结构电池还需求处理自身的能量密度问题,在机械功用体现上也需求显着进步,才干更好地用在林林总总的机器人和结构上。

图 | 锌空气电池结构示意图,包含锌电极、参加了凯夫拉纤维的固态电解质、空气正极

而这也将带来愈加杂乱的技能难题。首要是功用的进步,其间包含了电池的电导率、机械功用、柔性等体现,想要用在实践场景中,这几种功用需求一起兼顾到,完成全体进步。

还有一大难点摆在研讨团队面前,作者表明,在电池的机械功用和储能功用这两者间,存在必定的对立。正常来说,电解质内参加更多大纤维组成的骨架资料,机械功用自然会变得更好,但骨架资料过多则会下降电解质自身含量,不利于离子经过,从而影响电池的储能体现。

“这两者不容易权衡,但未来应该也需求把两个功用一起进步一点。”

像假肢这样的结构愈加不规则,不利于装置一般的电池;而无人机这类的设备对质量、体积十分灵敏,且结构比较杂乱,这些特点让形状愈加灵敏的结构电池有更好的运用远景。

久远来说,未来汽车上的比如车架、门窗等结构都能够有很多的面积替换成这种电池,替代原有十分占地方的动力电池。

“从久远来看,这是未来电池范畴的发展方向。”作者表明,一起在这项研讨根底之上,后续的研讨工作也在推动傍边,终究的意图便是投入真实的运用。

我们未来要投入实践运用,电池的安全性肯定是首要要素。与此一起,电池能量的安稳性也是确保运用体会的重要环节。

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