能量密度與廉價材料的完美組合,科學家開發出 72 倍鋰電池容量的仿生電池

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 21 日 8:45 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


密西根大學(University of Michigan)領導的研究小組證明,就像生物脂肪能儲備能量,新型可充電式鋅電池(Zinc battery)能整合到機器人結構以提供更多能量。當機器人縮小到微米級(microscale)或更小時(目前的獨立電池太大且效率太低),這種增加容量的方法將發揮特別重要的作用。

「機器人的設計受電池需求限制,電池通常占機器人內部可用空間 20% 左右,或占機器人重量的類似比例。」主掌研究的密西根大學「Joseph B. and Florence V. Cejka 」工程學教授 Nicholas Kotov 表示。

從防彈背心找出取之不盡的材料,比目前常用電池更環保

從快遞無人機和自行車專用道外帶服務機器人到機器人護士和倉儲機器人等移動式機器人應用正大幅度成長。就微觀部分而言,研究人員正在探索可自我組裝成更大裝置的群體機器人(Swarm Robots)。多功能結構電池可釋放潛在空間並減輕重量,但到目前為止,只能當主電池的補充。

「就能量密度而言,沒有任何一款已發表的結構性電池可與當今最先進的鋰電池相提並論。為了實現目標,我們對先前版本的結構性鋅電池進行 10 種改進,其中一些改進讓能量密度提升 100 倍。」Kotov 表示。能量密度和廉價材料的結合意味著,電池可能已使快遞機器人的移動範圍增加一倍。

「然而這不是什麼限制。我們估計,如果將機器人的外殼用鋅電池取代,那麼電力容量將達單顆鋰離子電池的 72 倍。」研究論文第一作者 Kotov 實驗室訪問研究員 Mingqiang Wang 時表示。

這款新電池的工作原理是經由電解質膜(Electrolyte Membrane)而在鋅電級和風側之間傳遞氫氧根離子(Hydroxide Ions)。這種膜部分是由芳香族聚醯胺奈米纖維(Aramid Nanofiber,可在 Kevlar 防彈背心中找到的碳基纖維)和新型水基聚合物凝膠組成的網狀結構物。這種凝膠有助於讓氫氧根離子在電極間穿梭。

這款電池是由廉價、來源充足且大部分無毒的材料製成,比目前使用的電池更加環保。與鋰離子電池採用易燃電解質不同,一旦電池受損,凝膠和芳香族聚醯胺奈米纖維也不會著火。芳香族聚醯胺奈米纖維可從報廢防彈衣取得與補充。

透過圖論法,加速分散式能量儲存的發展腳步

為了展示電池,研究人員特別以常見體積的小型蠕蟲和蝎子形狀玩具機器人實驗。團隊將原來的電池更換成鋅空氣電池(Zinc-Air Cell)。電池連接到馬達後,把馬達纏繞在這些令人毛骨悚然的爬蟲外殼上。

「能勝任雙重任務(負責儲存電荷並保護機器人的「器官」)的電池複製了生物體內專司能量儲存脂肪組織的多種功能。」Kotov 實驗室生物醫學工程博士生 Ahmet Emre 指出。

鋅電池的缺點在於,只能保存約 100 次循環的高容量,而不是我們期望像智慧手機鋰離子電池的 500 次以上使用壽命。這是因為鋅金屬會形成最終刺穿電極之間薄膜的突波。電極間的芳香族聚醯胺奈米纖維網狀結構物,是鋅電池得以擁有相對較長循環使用壽命的關鍵。且廉價且可回收的材料使這類電池更換很容易。

Kotov 表示,除了電池化學反應的優勢,透過密西根大學開發的圖論法(Graph Theory Approach),這項設計可做到並加速從單一電池到分散式能量儲存的轉變。

(首圖來源:影片截圖)