DeepTech深科技|科学家首次研制出“皮肤”电池：像脂肪一样包裹机器人体外
【DeepTech深科技|科学家首次研制出“皮肤”电池：像脂肪一样包裹机器人体外】
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 。
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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 。
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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 。 ”
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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 。
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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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