尼古拉斯·科托夫(NicholasKotov)實驗室的研究人員開發(fā)了一種新的可充電鋅電池，這種電池集成到機器人的結(jié)構(gòu)中，可以提供更多的能量。

電池膜是一種基于軟骨的納米材料，使用可回收的凱夫拉爾纖維。

膜的設(shè)計是基于30年的工作經(jīng)驗，比如膜的性質(zhì)是如何工作的以及如何重建材料,適合大規(guī)模生產(chǎn)。

這種增加容量的方法將特別重要，因為機器人縮小到微型和低于規(guī)模的規(guī)模，目前的獨立電池太大，效率太低。

JosephB.和FlorenceV.Cejka的工程學(xué)教授NicholasKotov領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他說:“機器人設(shè)計受到電池需求的限制，電池通常占據(jù)機器人內(nèi)部20%以上的可用空間，或占機器人重量的類似比例?！?/p>

從送貨無人機、自行車道外賣機器人到機器人護士和倉庫機器人，移動機器人的應(yīng)用正在爆炸式增長。在微觀方面，研究人員正在探索能夠自我組裝成更大設(shè)備的群體機器人。多功能結(jié)構(gòu)電池有潛力釋放空間和減輕重量，但到目前為止，它們只能補充主電池。

就能量密度而言，沒有任何一種結(jié)構(gòu)電池能與當今最先進的鋰電池相媲美。為了實現(xiàn)這一目標，我們在10個不同的措施上改進了我們先前版本的結(jié)構(gòu)鋅電池，其中一些措施的性能甚至要強100倍，Kotov解釋說。

他說，能量密度和廉價材料的結(jié)合，意味著電池可能已經(jīng)使送貨機器人的航程增加一倍。

然而，這不是極限。據(jù)我們估計，與只有一塊鋰離子電池相比，如果外形換成鋅電池，機器人的電能容量將增加72倍。

這種新型電池的工作原理是通過電解質(zhì)膜讓氫離子在鋅電極和空氣之間流動。這種薄膜部分是由芳綸納米纖維(在凱夫拉爾背心中發(fā)現(xiàn)的碳基纖維)和一種新型水基聚合物凝膠組成的網(wǎng)絡(luò)。凝膠幫助在電極之間穿梭氫氧根離子。

這種電池由廉價、豐富且基本上無毒的材料制成，比目前使用的電池更環(huán)保。凝膠和芳綸納米纖維不會在電池損壞時著火，不像鋰離子電池中的易燃電解質(zhì)。芳綸納米纖維可以從退役的防彈衣中升級再利用。

為了演示他們的電池，研究人員試驗了普通大小的蠕蟲和蝎子形狀的微型玩具機器人。研究小組用鋅空氣電池替換了原來的電池。他們把細胞連接到發(fā)動機上，然后把它們包裹在令人毛骨悚然的爬行動物的外面。

科托夫?qū)嶒炇疑镝t(yī)學(xué)工程博士生艾哈邁德·埃姆雷說，電池可以做雙重工作，儲存電荷和保護機器人的‘器官’，復(fù)制生物體內(nèi)儲存能量的脂肪組織的多功能。

鋅電池的缺點是，它的高容量可循環(huán)使用約100次，而智能手機上的鋰離子電池則需要循環(huán)使用500次或更多。這是因為鋅金屬會形成刺突，最終刺穿電極之間的膜。電極之間的強芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)是鋅電池相對較長的循環(huán)壽命的關(guān)鍵。而且價格低廉且可回收的材料使電池易于更換。

除了電池的化學(xué)優(yōu)勢，Kotov說，該設(shè)計可以使用密歇根大學(xué)開發(fā)的圖論方法，實現(xiàn)從單一電池到分布式能量存儲的轉(zhuǎn)變。