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為了不讓電池占據(jù)過多的機(jī)器人內(nèi)部空間，一支中美科研團(tuán)隊(duì)直接把電池做成了外殼的形狀。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃玉東團(tuán)隊(duì)和密歇根大學(xué)工程學(xué)教授尼古拉斯 · 科托夫 (Nicholas Kotov) 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作展示了一種新型的可充電鋅電池，就像生物脂肪儲存能量一樣，該電池可以集成在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，在充當(dāng)機(jī)器人外殼的同時(shí)，為機(jī)器人提供電力。

團(tuán)隊(duì)表示，對多數(shù)脊椎動(dòng)物來說，脂肪組織能為動(dòng)物體提供支撐、保護(hù)，在特定條件下又能提供能量。這項(xiàng)研究由此獲得靈感。 該研究也是首次成功將電池做成機(jī)器人的“皮膚”，并成功驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）上。論文第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院博士后研究員王明強(qiáng)。

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種既能作為結(jié)構(gòu)提供支撐，同時(shí)還能提供能量的電池，將能取代部分電子設(shè)備對獨(dú)立電池的依賴，在無人機(jī)等設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前進(jìn)。而這項(xiàng)研究所代表的用分布式儲能代替?zhèn)鹘y(tǒng)獨(dú)立電池的新方向，可能成為未來的長期趨勢。

機(jī)器人“脂肪”

密歇根大學(xué)工程學(xué)教授尼古拉斯 · 科托夫表示，電池的存在限制了機(jī)器人的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡姵赝ǔＵ既チ烁鞣N電子設(shè)備 20% 的內(nèi)部空間，于此同時(shí)，電池在質(zhì)量上所占的比例通常也只多不少。

這帶來的結(jié)果是，所有內(nèi)置電池的電子設(shè)備都需要將大量的空間和質(zhì)量留給電池。對體積有限的設(shè)備來說，例如移動(dòng)機(jī)器人，電池的質(zhì)量也變相降低了其續(xù)航能力。

“所以我們想提出這樣的概念，就像人體會儲備大量的脂肪，不僅能夠給人體提供一些保暖和抗沖擊的功能，同時(shí)在必要的時(shí)候也能通過反應(yīng)提供能量，維持人體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。”王明強(qiáng)表示。

基于這個(gè)想法， 團(tuán)隊(duì)希望通過技術(shù)手段，顛覆此前必須要留出固定位置儲存電池的傳統(tǒng)思路，而把電池放在外殼等結(jié)構(gòu)上，既可以充當(dāng)外殼，具備應(yīng)有的保護(hù)等功能；又能提供能量，還節(jié)省出電池儲存空間，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長期使用。

基于這兩大功能的融合，這項(xiàng)技術(shù)被命名為結(jié)構(gòu)電池。

研究團(tuán)隊(duì)在鋅空氣電池技術(shù)的基礎(chǔ)之上，基于一種名為凱夫拉纖維復(fù)合材料制成了新的固態(tài)電解質(zhì)，首次制備出了結(jié)構(gòu)電池。

該電池不僅具備良好的柔韌性，可以靈活包覆在不同物體表面，還解決了鋅電池常見的結(jié)晶、變形問題，將使用壽命提升到了 100 小時(shí)以上。

為了演示電池的性能，研究團(tuán)隊(duì)在小型的蠕蟲和蝎子狀的小型機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)，用鋅空氣電池替待了原有的電池，連接到小型電機(jī)上，同時(shí)新型電池并不是放在原有的位置，而是包裹在機(jī)器人的外部。

在開啟后，機(jī)器人可以正常運(yùn)動(dòng)，顯示出這種結(jié)構(gòu)電池實(shí)現(xiàn)了供電能力。
毫米級厚度柔性電池

王明強(qiáng)表示，要讓電池具備作為機(jī)器人外殼的功能，電池本身需要有幾個(gè)特點(diǎn)：包括高柔性、良好的機(jī)械性能和安全性等。

在綜合考慮之下，團(tuán)隊(duì)選擇了鋅空氣電池技術(shù)路線。從安全性角度看，金屬鋅在室溫空氣中是可以穩(wěn)定存在的，不像鋰可能會發(fā)生自燃；此外，鋅電池的理論能量密度更高；而且更加環(huán)保。

在性能方面，論文指出，鋅空氣電池特別適合作為生物形態(tài)結(jié)構(gòu)電池，其理論能量密度較高，同時(shí)鋅電極能夠滿足結(jié)構(gòu)電池對剛度和柔韌性的要求。

常規(guī)鋅電池的缺點(diǎn)在于循環(huán)壽命不足，最大壽命約為 100 次充放電。而我們在日常的手機(jī)、電腦等常見設(shè)備中的鋰電池，循環(huán)壽命通常需要達(dá)到 500 次以上。這是因?yàn)榻饘黉\常常在反應(yīng)中形成結(jié)晶，從而刺穿電極之間的薄膜。

“選完電池的體系之后，我們就想如何把它做的薄一點(diǎn)，性能強(qiáng)一點(diǎn)，同時(shí)又能夠穩(wěn)定地輸出能量。”
把鋅電池做好是整個(gè)研究工作的難點(diǎn)，也是最為核心的部分。

通常來說，在電池的主要結(jié)構(gòu)——正極、負(fù)極、電解質(zhì)——當(dāng)中，電解質(zhì)的性能像是木桶上的最短板，對電池性能有著至關(guān)重要的作用。

其中，電解質(zhì)又能大致分為固態(tài)、液態(tài)和半液半固。但現(xiàn)在已經(jīng)大規(guī)模使用的液態(tài)電解質(zhì)被很快排除在外，因?yàn)樵O(shè)備使用過程中難免出現(xiàn)磕碰，這會輕易造成電解質(zhì)的泄露。另一方面，常見的固態(tài)電池本身的離子電導(dǎo)率較低，性能也較差。

研究團(tuán)隊(duì)就設(shè)定目標(biāo)，要開發(fā)出一種具有高電導(dǎo)率、穩(wěn)定性好、高柔性和壓縮性、高耐熱性等一系列性能的電解質(zhì)。

基于此次研究參與方、美國密歇根大學(xué) Kotov 實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)，合作團(tuán)隊(duì)首次采用了一種以凱夫拉纖維為基體的一種固態(tài)電解質(zhì)。

凱夫拉纖維為人熟知的用途，就是用于高性能的防彈衣。

不過傳統(tǒng)的凱夫拉纖維直徑較大，通常達(dá)到十幾微米。王明強(qiáng)介紹稱，相比傳統(tǒng)纖維，他們所使用的凱夫拉纖維有著超強(qiáng)的力學(xué)性能。

團(tuán)隊(duì)首先通過化學(xué)方法將其 “打散” 成直徑為十幾納米的纖維，以此為骨架，灌入聚合物來制備成復(fù)合的電解質(zhì)。也正是因?yàn)橛欣w維骨架的存在，電池在充放電過程中不會再發(fā)生形變，大幅延長了使用壽命。

另一方面，納米級的纖維可以破壞聚合物的結(jié)晶，有助于離子電導(dǎo)率的通過；最后，與人體的肌肉纖維類似，該電解質(zhì)在有了骨架作為包覆的情況下，力學(xué)性能就會變得非常優(yōu)異。

據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將帶電解質(zhì)隔膜的厚度降低至 10 多微米，再加上正極、負(fù)極之后，整個(gè)電池的厚度約為 1-2 毫米。

這種電池由廉價(jià)、豐富且大部分無毒的材料制成，比目前使用的電池更加環(huán)保。與鋰電池不同的是，在電池?fù)p壞時(shí)，其中的凝膠和凱夫拉纖維均不會著火，保證了電池的安全性。

未來的電池可以是：沒有電池

結(jié)構(gòu)電池可以消除電池對設(shè)備帶來的設(shè)計(jì)上的限制，成為未來機(jī)器人技術(shù)的重要部分。

不過在那之前，結(jié)構(gòu)電池還需要解決自身的能量密度問題，在機(jī)械性能表現(xiàn)上也需要明顯提升，才能更好地用在各式各樣的機(jī)器人和結(jié)構(gòu)上。

作者表示，在這一研究成果的基礎(chǔ)上，未來將會更加關(guān)注結(jié)構(gòu)電池在實(shí)際場景中的應(yīng)用。

而這也將帶來更加復(fù)雜的技術(shù)難題。首先是性能的提升，其中包括了電池的電導(dǎo)率、機(jī)械性能、柔性等表現(xiàn)，想要用在實(shí)際場景中，這幾種性能需要同時(shí)兼顧到，實(shí)現(xiàn)整體提升。

還有一大難點(diǎn)擺在研究團(tuán)隊(duì)面前，作者表示，在電池的機(jī)械性能和儲能性能這兩者間，存在一定的矛盾。正常來說，電解質(zhì)內(nèi)加入更多大纖維組成的骨架材料，機(jī)械性能自然會變得更好，但骨架材料過多則會降低電解質(zhì)本身含量，不利于離子通過，進(jìn)而影響電池的儲能表現(xiàn)。

“這兩者不容易權(quán)衡，但未來應(yīng)該也需要把兩個(gè)性能同時(shí)提高一點(diǎn)。”

作者認(rèn)為，現(xiàn)在的一些假肢、無人機(jī)等需要電力供應(yīng)的小型設(shè)備，非常適合應(yīng)用這種節(jié)省質(zhì)量、空間的結(jié)構(gòu)電池。

像假肢這樣的結(jié)構(gòu)更加不規(guī)則，不利于安裝普通的電池；而無人機(jī)這類的設(shè)備對質(zhì)量、體積十分敏感，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這些屬性讓形態(tài)更加靈活的結(jié)構(gòu)電池有更好的應(yīng)用前景。

長遠(yuǎn)來說，未來汽車上的諸如車架、門窗等結(jié)構(gòu)都可以有大量的面積替換成這種電池，取代原有非常占地方的動(dòng)力電池。

“從長遠(yuǎn)來看，這是未來電池領(lǐng)域的發(fā)展方向。”作者表示，同時(shí)在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)之上，后續(xù)的研究工作也在推進(jìn)當(dāng)中，最終的目的就是投入真正的應(yīng)用。

作者表示，目前雖然已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室把產(chǎn)品造出來，但實(shí)際的使用和理論肯定還存在巨大的差別。

如果未來要投入實(shí)際應(yīng)用，電池的安全性肯定是首要因素。與此同時(shí)，電池能量的穩(wěn)定性也是保證使用體驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。

原標(biāo)題：中美科學(xué)家首次研制出 “皮膚” 電池：像脂肪一樣包裹機(jī)器人體外，分布式儲能創(chuàng)新電池設(shè)計(jì)