中美科学家研制出分布式储能创新电池设计

　　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。
　　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。
　　研究团队认为，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，用锌空气电池替代了原有的电池，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。
　　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，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。”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、美国密歇根大学科托夫实验室的研究基础，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。
　　研究人员表示，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：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。
　　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。”王明强表示，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。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。 （麻省）