Al igual que las reservas biológicas de grasa almacenan energía en los animales, una nueva batería de zinc recargable se integra en la estructura de un robot para proporcionar mucha más energía, según ha demostrado un equipo dirigido por la Universidad de Michigan.
Este enfoque para aumentar la capacidad será particularmente importante a medida que los robots se reduzcan a la microescala y por debajo, escalas en las que las baterías independientes actuales son demasiado grandes e ineficientes.
"Los diseños de robots están restringidos por la necesidad de baterías que a menudo ocupan el 20% o más del espacio disponible dentro de un robot, o representan una proporción similar del peso del robot", dijo Nicholas Kotov, Joseph B. y Florence V. Cejka Professor of Engineering, quien dirigió la investigación.
Las aplicaciones para robots móviles están en auge, desde drones de reparto y bots para llevar carriles para bicicletas hasta enfermeras robóticas y robots de almacén. En el lado micro, los investigadores están explorando robots de enjambre que pueden autoensamblarse en dispositivos más grandes. Las baterías estructurales multifuncionales puedenpotencialmente liberar espacio y reducir peso, pero hasta ahora solo podían complementar la batería principal.
"Ninguna otra batería estructural reportada es comparable, en términos de densidad de energía, a las baterías de litio avanzadas de última generación. Mejoramos nuestra versión anterior de baterías estructurales de zinc en 10 medidas diferentes, algunas de las cuales son 100 veces másmejor, hacer que suceda ", dijo Kotov.
La combinación de densidad de energía y materiales económicos significa que la batería ya puede duplicar el rango de los robots de entrega, dijo.
"Sin embargo, este no es el límite. Estimamos que los robots podrían tener 72 veces más capacidad de energía si sus exteriores fueran reemplazados por baterías de zinc, en comparación con tener una sola batería de iones de litio", dijo Mingqiang Wang, primer autor y recientemente uninvestigador visitante al laboratorio de Kotov.
La nueva batería funciona pasando iones de hidróxido entre un electrodo de zinc y el lado del aire a través de una membrana de electrolito. Esa membrana es en parte una red de nanofibras de aramida, las fibras a base de carbono que se encuentran en los chalecos de Kevlar, y un nuevo agua.base de gel de polímero. El gel ayuda a transportar los iones de hidróxido entre los electrodos.
Fabricada con materiales baratos, abundantes y en gran parte no tóxicos, la batería es más ecológica que las que se utilizan actualmente. Las nanofibras de gel y aramida no se incendiarán si la batería está dañada, a diferencia del electrolito inflamable de las baterías de iones de litio. La aramidalas nanofibras podrían reciclarse de chalecos antibalas retirados.
Para demostrar sus baterías, los investigadores experimentaron con robots de juguete miniaturizados y de tamaño regular con forma de gusano y escorpión. El equipo reemplazó sus baterías originales con celdas de zinc-aire. Conectaron las celdas a los motores y las envolvieronalrededor de los exteriores de los rastreadores espeluznantes.
"Las baterías que pueden realizar una doble función, almacenar carga y proteger los 'órganos' del robot, replican la multifuncionalidad de los tejidos grasos que sirven para almacenar energía en los seres vivos", dijo Ahmet Emre, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica en Kotov.laboratorio.
La desventaja de las baterías de zinc es que mantienen una alta capacidad durante aproximadamente 100 ciclos, en lugar de los 500 o más que esperamos de las baterías de iones de litio en nuestros teléfonos inteligentes. Esto se debe a que el metal de zinc forma picos que eventualmente perforan la membrana entreLos electrodos. La fuerte red de nanofibras de aramida entre los electrodos es la clave para el ciclo de vida relativamente largo de una batería de zinc. Y los materiales económicos y reciclables hacen que las baterías sean fáciles de reemplazar.
Más allá de las ventajas de la química de la batería, Kotov dice que el diseño podría permitir un cambio de una sola batería al almacenamiento de energía distribuida, utilizando el enfoque de la teoría de grafos desarrollado en la UM.
"No tenemos un solo saco de grasa, que sería voluminoso y requeriría una transferencia de energía muy costosa", dijo Kotov. "El almacenamiento de energía distribuida, que es la forma biológica, es el camino a seguir para lograr una alta eficienciadispositivos biomórficos. "
Se publicará un artículo sobre esta investigación en Ciencia robótica , titulado, "Baterías estructurales biomórficas para robótica".
Esta investigación está financiada por el Departamento de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Las pruebas de batería se llevaron a cabo en el Instituto de Energía de la UM. Kotov también es profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales y macromolecularciencia e ingeniería. Wang es investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Harbin en China.
La Universidad de Michigan ha solicitado protección por patente y está buscando socios comerciales para llevar la tecnología al mercado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
cite esta página :