Могут обеспечить в 72 раза больше энергии для роботов биоморфные батареи

Г

руппа ученых из Мичиганского университета продемонстрировала новый цинковый аккумулятор, который, как и биологические запасы жира у животных, способен хранить огромное количество энергии. Такой подход к увеличению емкости будет особенно важен, поскольку роботы сжимаются до микромасштаба и даже меньше - масштабов, в которых существующие автономные батареи слишком велики и неэффективны.

Главные недостатки литий-ионных батарей

«Конструкции роботов ограничиваются необходимостью в батареях, которые часто занимают около 20% от доступного пространства внутри, значительно увеличивая вес усройства», - сказали Николас Котов, Джозеф Б. и Флоренс В. Сейка. Роботы все чаще используются в повседневной жизни: от дронов для доставки до роботов-медсестер и складских роботов. Что касается микробов, сейчас основное внимание уделяется изучению устройств, которые смогут сбиваться в группы и работать сообща, самостоятельно выполняя поставленные задачи и объединяясь в более крупные машины.

Многофункциональные структурные батареи потенциально могут освободить место и уменьшить вес роботов, ведь до сегодняшнего дня они могли только дополнять основную батарею. «Ни одна другая структурная батарея, которая существует, не может сравниться по плотности энергии с современными передовыми литиевыми батареями. Чтобы это стало возможным, мы улучшили нашу предыдущую версию конструкционных цинковых батарей по 10 различным параметрам, сделав её в 100 раз лучше», - сказал Котов. По его словам, сочетание плотности энергии и недорогих материалов означает, что аккумулятор уже может удвоить время работы роботов-доставщиков.

Преимущества новой технологии

«Однако это не предел. По нашим оценкам, роботы могли бы иметь в 72 раза больше мощности, если бы мы смогли заменить все литий-ионные батареи на цинковые», - сказал Минцян Ван. Новая батарея работает, пропуская ионы гидроксида между цинковым электродом и воздушной стороной через электролитную мембрану.

Эта мембрана частично представляет собой сеть из арамидных нановолокон - углеродных волокон, используемых в кевларовых жилетах, - и нового полимерного геля на водной основе. Гель помогает перемещать ионы гидроксида между электродами. Батарея, изготовленная из дешевых, доступных в большом количестве и в основном нетоксичных материалов, более экологически безопасна, чем те, которые используются в настоящее время. Гелевые и арамидные нановолокна не загорятся при повреждении батареи, в отличие от легковоспламеняющегося электролита в литий-ионных аккумуляторах. Арамидные нановолокна могут быть переработаны из списанных бронежилетов.

Тестирование новых батарей

Чтобы продемонстрировать свои батарейки, исследователи экспериментировали с миниатюрными игрушечными роботами обычного размера в форме червяка и скорпиона. Команда заменила оригинальные батареи на воздушно-цинковые элементы. Они подключили аккумуляторы к двигателям и обернули ими внешние поверхности устройств.

«Батареи, которые могут выполнять двойную функцию - накапливать заряд и защищать робота, - воспроизводят многофункциональность жировых тканей, которые служат для хранения энергии в живых существах», - сказал Ахмет Эмре, докторант биомедицинской инженерии в лаборатории Котова.

Обратной стороной цинковых батарей является то, что они сохраняют высокую емкость в течение примерно 100 циклов, а не 500 или более, которые мы ожидаем от литий-ионных батарей в наших смартфонах. Это связано с тем, что металлический цинк образует шипы, которые в конечном итоге пробивают мембрану между электродами. Прочная сеть из арамидных нановолокон между электродами является ключом к относительно долгому сроку службы цинковой батареи. А недорогие и пригодные для вторичной переработки материалы позволяют легко заменять батареи.

Помимо преимуществ химического состава батареи, Котов говорит, что конструкция может позволить перейти от одиночной батареи к распределенному накоплению энергии с использованием подхода теории графов, разработанного в U-M. «В нашем теле нет таких участков, которые бы могли обойтись без жира», - сказал Котов. «Распределенное хранение энергии, то есть биологический путь, - это путь для создания высокоэффективных биоморфных устройств».