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科學家首次研制出“皮膚”電池︰像脂肪一樣包裹機器人體外

電視劇迷hk發表於 2020-10-2 06:11:31
為了不讓電池佔據過多的機器人內部空間,一支中美科研團隊直接把電池做成了外殼的形狀。

哈爾濱工業大學黃玉東團隊和密歇根大學工程學教授尼古拉斯  科托夫 (Nicholas Kotov) 領導的團隊合作展示了一種新型的可充電鋅電池,就像生物脂肪儲存能量一樣,該電池可以集成在機器人的結構中,在充當機器人外殼的同時,為機器人提供電力。

團隊表示,對多數脊椎動物來說,脂肪組織能為動物體提供支撐、保護,在特定條件下又能提供能量。這項研究由此獲得靈感。

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該研究也是首次成功將電池做成機器人的“皮膚”,並成功驅動機器人運動。相關研究發表在近期的《科學機器人》(Science Robotics)上。論文第一作者為哈爾濱工業大學化工學院博士後研究員王明強。

團隊認為,這種既能作為結構提供支撐,同時還能提供能量的電池,將能取代部分電子設備對獨立電池的依賴,在無人機等設備上具有廣闊的應用前進。而這項研究所代表的用分布式儲能代替傳統獨立電池的新方向,可能成為未來的長期趨勢。

機器人“脂肪”

密歇根大學工程學教授尼古拉斯  科托夫表示,電池的存在限制了機器人的設計,因為電池通常佔去了各種電子設備 20% 的內部空間,于此同時,電池在質量上所佔的比例通常也只多不少。

這帶來的結果是,所有內置電池的電子設備都需要將大量的空間和質量留給電池。對體積有限的設備來說,例如移動機器人,電池的質量也變相降低了其續航能力。

“所以我們想提出這樣的概念,就像人體會儲備大量的脂肪,不僅能夠給人體提供一些保暖和抗沖擊的功能,同時在必要的時候也能通過反應提供能量,維持人體的正常運轉。”王明強表示。

基于這個想法, 團隊希望通過技術手段,顛覆此前必須要留出固定位置儲存電池的傳統思路,而把電池放在外殼等結構上,既可以充當外殼,具備應有的保護等功能;又能提供能量,還節省出電池儲存空間,並最終實現設備的長期使用。

基于這兩大功能的融合,這項技術被命名為結構電池。

研究團隊在鋅空氣電池技術的基礎之上,基于一種名為凱夫拉縴維復合材料制成了新的固態電解質,首次制備出了結構電池。

該電池不僅具備良好的柔韌性,可以靈活包覆在不同物體表面,還解決了鋅電池常見的結晶、變形問題,將使用壽命提升到了 100 小時以上。

為了演示電池的性能,研究團隊在小型的蠕蟲和蠍子狀的小型機器人上進行試驗,用鋅空氣電池替待了原有的電池,連接到小型電機上,同時新型電池並不是放在原有的位置,而是包裹在機器人的外部。

在開啟後,機器人可以正常運動,顯示出這種結構電池實現了供電能力。

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圖 | 包裹著電池(銀色)的機器人

毫米級厚度柔性電池

王明強表示,要讓電池具備作為機器人外殼的功能,電池本身需要有幾個特點︰包括高柔性、良好的機械性能和安全性等。

在綜合考慮之下,團隊選擇了鋅空氣電池技術路線。從安全性角度看,金屬鋅在室溫空氣中是可以穩定存在的,不像鋰可能會發生自燃;此外,鋅電池的理論能量密度更高;而且更加環保。

在性能方面,論文指出,鋅空氣電池特別適合作為生物形態結構電池,其理論能量密度較高,同時鋅電極能夠滿足結構電池對剛度和柔韌性的要求。

常規鋅電池的缺點在于循環壽命不足,最大壽命約為 100 次充放電。而我們在日常的手機、電腦等常見設備中的鋰電池,循環壽命通常需要達到 500 次以上。這是因為金屬鋅常常在反應中形成結晶,從而刺穿電極之間的薄膜。

“選完電池的體系之後,我們就想如何把它做的薄一點,性能強一點,同時又能夠穩定地輸出能量。”

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把鋅電池做好是整個研究工作的難點,也是最為核心的部分。

通常來說,在電池的主要結構正極、負極、電解質當中,電解質的性能像是木桶上的最短板,對電池性能有著至關重要的作用。

其中,電解質又能大致分為固態、液態和半液半固。但現在已經大規模使用的液態電解質被很快排除在外,因為設備使用過程中難免出現磕踫,這會輕易造成電解質的泄露。另一方面,常見的固態電池本身的離子電導率較低,性能也較差。

研究團隊就設定目標,要開發出一種具有高電導率、穩定性好、高柔性和壓縮性、高耐熱性等一系列性能的電解質。

基于此次研究參與方、美國密歇根大學 Kotov 實驗室的研究基礎,合作團隊首次采用了一種以凱夫拉縴維為基體的一種固態電解質。

凱夫拉縴維為人熟知的用途,就是用于高性能的防彈衣。

不過傳統的凱夫拉縴維直徑較大,通常達到十幾微米。王明強介紹稱,相比傳統縴維,他們所使用的凱夫拉縴維有著超強的力學性能。

團隊首先通過化學方法將其 “打散” 成直徑為十幾納米的縴維,以此為骨架,灌入聚合物來制備成復合的電解質。也正是因為有縴維骨架的存在,電池在充放電過程中不會再發生形變,大幅延長了使用壽命。

另一方面,納米級的縴維可以破壞聚合物的結晶,有助于離子電導率的通過;最後,與人體的肌肉縴維類似,該電解質在有了骨架作為包覆的情況下,力學性能就會變得非常優異。

據介紹,該團隊已經將帶電解質隔膜的厚度降低至 10 多微米,再加上正極、負極之後,整個電池的厚度約為 1-2 毫米。

這種電池由廉價、豐富且大部分無毒的材料制成,比目前使用的電池更加環保。與鋰電池不同的是,在電池損壞時,其中的凝膠和凱夫拉縴維均不會著火,保證了電池的安全性。

未來的電池可以是︰沒有電池

結構電池可以消除電池對設備帶來的設計上的限制,成為未來機器人技術的重要部分。

不過在那之前,結構電池還需要解決自身的能量密度問題,在機械性能表現上也需要明顯提升,才能更好地用在各式各樣的機器人和結構上。

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圖 | 鋅空氣電池結構示意圖,包括鋅電極、加入了凱夫拉縴維的固態電解質、空氣正極

作者表示,在這一研究成果的基礎上,未來將會更加關注結構電池在實際場景中的應用。

而這也將帶來更加復雜的技術難題。首先是性能的提升,其中包括了電池的電導率、機械性能、柔性等表現,想要用在實際場景中,這幾種性能需要同時兼顧到,實現整體提升。

還有一大難點擺在研究團隊面前,作者表示,在電池的機械性能和儲能性能這兩者間,存在一定的矛盾。正常來說,電解質內加入更多大縴維組成的骨架材料,機械性能自然會變得更好,但骨架材料過多則會降低電解質本身含量,不利于離子通過,進而影響電池的儲能表現。

“這兩者不容易權衡,但未來應該也需要把兩個性能同時提高一點。”

作者認為,現在的一些假肢、無人機等需要電力供應的小型設備,非常適合應用這種節省質量、空間的結構電池。

像假肢這樣的結構更加不規則,不利于安裝普通的電池;而無人機這類的設備對質量、體積十分敏感,且結構比較復雜,這些屬性讓形態更加靈活的結構電池有更好的應用前景。

長遠來說,未來汽車上的諸如車架、門窗等結構都可以有大量的面積替換成這種電池,取代原有非常佔地方的動力電池。

“從長遠來看,這是未來電池領域的發展方向。”作者表示,同時在這項研究基礎之上,後續的研究工作也在推進當中,最終的目的就是投入真正的應用。

作者表示,目前雖然已經在實驗室把產品造出來,但實際的使用和理論肯定還存在巨大的差別。

如果未來要投入實際應用,電池的安全性肯定是首要因素。與此同時,電池能量的穩定性也是保證使用體驗的重要環節。


作者:一點資訊

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