中美科学家首次研制出 “皮肤” 电池:像脂肪一样包裹机器人体外,分布式储能创新电池设计

机器人
中美科学家首次研制出 “皮肤” 电池:像脂肪一样包裹机器人体外,分布式储能创新电池设计
麻省理工科技评论 2020-09-08

2020-09-08

为了不让电池占据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。
电池
为了不让电池占据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。

为了不让电池占据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) 领导的团队合作展示了一种新型的可充电锌电池,就像生物脂肪储存能量一样,该电池可以集成在机器人的结构中,在充当机器人外壳的同时,为机器人提供电力。

团队表示,对多数脊椎动物来说,脂肪组织能为动物体提供支撑、保护,在特定条件下又能提供能量。这项研究由此获得灵感。

科学家首次研制出“皮肤”电池:像脂肪一样包裹机器人体外

该研究也是首次成功将电池做成机器人的“皮肤”,并成功驱动机器人运动。相关研究发表在近期的《科学机器人》(Science Robotics)上。论文第一作者为哈尔滨工业大学化工学院博士后研究员王明强。

团队认为,这种既能作为结构提供支撑,同时还能提供能量的电池,将能取代部分电子设备对独立电池的依赖,在无人机等设备上具有广阔的应用前进。而这项研究所代表的用分布式储能代替传统独立电池的新方向,可能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 · 科托夫表示,电池的存在限制了机器人的设计,因为电池通常占去了各种电子设备 20% 的内部空间,于此同时,电池在质量上所占的比例通常也只多不少。

这带来的结果是,所有内置电池的电子设备都需要将大量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,电池的质量也变相降低了其续航能力。

“所以我们想提出这样的概念,就像人体会储备大量的脂肪,不仅能够给人体提供一些保暖和抗冲击的功能,同时在必要的时候也能通过反应提供能量,维持人体的正常运转。”王明强表示。

基于这个想法, 团队希望通过技术手段,颠覆此前必须要留出固定位置储存电池的传统思路,而把电池放在外壳等结构上,既可以充当外壳,具备应有的保护等功能;又能提供能量,还节省出电池储存空间,并最终实现设备的长期使用。

基于这两大功能的融合,这项技术被命名为结构电池。

研究团队在锌空气电池技术的基础之上,基于一种名为凯夫拉纤维复合材料制成了新的固态电解质,首次制备出了结构电池。

该电池不仅具备良好的柔韧性,可以灵活包覆在不同物体表面,还解决了锌电池常见的结晶、变形问题,将使用寿命提升到了 100 小时以上。

为了演示电池的性能,研究团队在小型的蠕虫和蝎子状的小型机器人上进行试验,用锌空气电池替待了原有的电池,连接到小型电机上,同时新型电池并不是放在原有的位置,而是包裹在机器人的外部。

在开启后,机器人可以正常运动,显示出这种结构电池实现了供电能力。

科学家首次研制出“皮肤”电池:像脂肪一样包裹机器人体外

图 | 包裹着电池(银色)的机器人

毫米级厚度柔性电池

王明强表示,要让电池具备作为机器人外壳的功能,电池本身需要有几个特点:包括高柔性、良好的机械性能和安全性等。

在综合考虑之下,团队选择了锌空气电池技术路线。从安全性角度看,金属锌在室温空气中是可以稳定存在的,不像锂可能会发生自燃;此外,锌电池的理论能量密度更高;而且更加环保。

在性能方面,论文指出,锌空气电池特别适合作为生物形态结构电池,其理论能量密度较高,同时锌电极能够满足结构电池对刚度和柔韧性的要求。

常规锌电池的缺点在于循环寿命不足,最大寿命约为 100 次充放电。而我们在日常的手机、电脑等常见设备中的锂电池,循环寿命通常需要达到 500 次以上。这是因为金属锌常常在反应中形成结晶,从而刺穿电极之间的薄膜。

“选完电池的体系之后,我们就想如何把它做的薄一点,性能强一点,同时又能够稳定地输出能量。”

科学家首次研制出“皮肤”电池:像脂肪一样包裹机器人体外

把锌电池做好是整个研究工作的难点,也是最为核心的部分。

通常来说,在电池的主要结构——正极、负极、电解质——当中,电解质的性能像是木桶上的最短板,对电池性能有着至关重要的作用。

其中,电解质又能大致分为固态、液态和半液半固。但现在已经大规模使用的液态电解质被很快排除在外,因为设备使用过程中难免出现磕碰,这会轻易造成电解质的泄露。另一方面,常见的固态电池本身的离子电导率较低,性能也较差。

研究团队就设定目标,要开发出一种具有高电导率、稳定性好、高柔性和压缩性、高耐热性等一系列性能的电解质。

基于此次研究参与方、美国密歇根大学 Kotov 实验室的研究基础,合作团队首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途,就是用于高性能的防弹衣。

不过传统的凯夫拉纤维直径较大,通常达到十几微米。王明强介绍称,相比传统纤维,他们所使用的凯夫拉纤维有着超强的力学性能。

团队首先通过化学方法将其 “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。也正是因为有纤维骨架的存在,电池在充放电过程中不会再发生形变,大幅延长了使用寿命。

另一方面,纳米级的纤维可以破坏聚合物的结晶,有助于离子电导率的通过;最后,与人体的肌肉纤维类似,该电解质在有了骨架作为包覆的情况下,力学性能就会变得非常优异。

据介绍,该团队已经将带电解质隔膜的厚度降低至 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、丰富且大部分无毒的材料制成,比目前使用的电池更加环保。与锂电池不同的是,在电池损坏时,其中的凝胶和凯夫拉纤维均不会着火,保证了电池的安全性。

未来的电池可以是:没有电池

结构电池可以消除电池对设备带来的设计上的限制,成为未来机器人技术的重要部分。

不过在那之前,结构电池还需要解决自身的能量密度问题,在机械性能表现上也需要明显提升,才能更好地用在各式各样的机器人和结构上。

科学家首次研制出“皮肤”电池:像脂肪一样包裹机器人体外

图 | 锌空气电池结构示意图,包括锌电极、加入了凯夫拉纤维的固态电解质、空气正极

作者表示,在这一研究成果的基础上,未来将会更加关注结构电池在实际场景中的应用。

而这也将带来更加复杂的技术难题。首先是性能的提升,其中包括了电池的电导率、机械性能、柔性等表现,想要用在实际场景中,这几种性能需要同时兼顾到,实现整体提升。

还有一大难点摆在研究团队面前,作者表示,在电池的机械性能和储能性能这两者间,存在一定的矛盾。正常来说,电解质内加入更多大纤维组成的骨架材料,机械性能自然会变得更好,但骨架材料过多则会降低电解质本身含量,不利于离子通过,进而影响电池的储能表现。

“这两者不容易权衡,但未来应该也需要把两个性能同时提高一点。”

作者认为,现在的一些假肢、无人机等需要电力供应的小型设备,非常适合应用这种节省质量、空间的结构电池。

像假肢这样的结构更加不规则,不利于安装普通的电池;而无人机这类的设备对质量、体积十分敏感,且结构比较复杂,这些属性让形态更加灵活的结构电池有更好的应用前景。

长远来说,未来汽车上的诸如车架、门窗等结构都可以有大量的面积替换成这种电池,取代原有非常占地方的动力电池。

“从长远来看,这是未来电池领域的发展方向。”作者表示,同时在这项研究基础之上,后续的研究工作也在推进当中,最终的目的就是投入真正的应用。

作者表示,目前虽然已经在实验室把产品造出来,但实际的使用和理论肯定还存在巨大的差别。

如果未来要投入实际应用,电池的安全性肯定是首要因素。与此同时,电池能量的稳定性也是保证使用体验的重要环节。

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