Распределенное накопление энергии
Такой подход к увеличению емкости будет особенно важен, поскольку роботы сжимаются до микроразмеров и ниже – масштабов, при которых текущие автономные батареи слишком велики и неэффективны.
Биоморфные батареи могли бы обеспечить в 72 раза больше энергии для роботов
«Конструкции роботов ограничены потребностью в батареях, которые часто занимают 20% и более от имеющегося пространства внутри робота, или составляют аналогичную долю веса робота», – сказал Николай Котов, профессор инженерных наук Джозеф Б. и Флоренс В. Сейка, который руководил исследованиями.
Подписывайтесь на наш youtube канал!
ЗАКРЫТЫЕ эфиры c ЛУЧШИМИ психологами, врачами, остеопатами на закрытом аккаунте course.econet.ru
ПОЛУЧИТЬ ДОСТУП
Технология применима для мобильных роботов – от роботов-доставщиков до медицинских роботов и роботов-аккумуляторов на велосипедных дорожках. С микро стороны исследователи исследуют роботов, которые могут самостоятельно монтироваться в более крупные устройства. Многофункциональные структурные батареи могут потенциально освободить место и снизить вес, но до сих пор они могли только дополнять основную батарею.
«Ни одна другая структурная батарея не сопоставима по плотности энергии с современными передовыми литиевыми батареями. Мы усовершенствовали предыдущую версию структурной цинковой батареи по 10 различным мерам, некоторые из которых в 100 раз лучше, чтобы это произошло», – сказал Котов.
Сочетание плотности энергии и недорогих материалов означает, что батарея уже может удвоить ассортимент поставляемых роботов, сказал он.
Однако это не предел». По нашим оценкам, роботы могли бы иметь в 72 раза большую мощность, если бы их экстерьеры были заменены на цинковые батареи, по сравнению с одной литий-ионной батареей», – сказал Минцян Ван, первый автор и недавно приехавший в лабораторию Котова научный сотрудник.
Новая перезаряжаемая цинковая батарея, разработанная исследователями Мичиганского университета, может обеспечить гораздо больше энергии и интегрироваться в структуру робота». Такой подход к увеличению емкости будет особенно важен по мере того, как роботы будут сжиматься до микромасштаба и ниже – масштабов, при которых текущие автономные батареи слишком велики и неэффективны.
Распределенное накопление энергии
Новая батарея работает путем пропускания ионов гидроксида цинка между цинковым электродом и воздушной стороной через электролитную мембрану. Эта мембрана частично представляет собой сеть из арамидных нановолокон – углеродных волокон, найденных в кевларовых жилетах – и нового полимерного геля на водной основе. Гель помогает пропустить ионы гидроксида между электродами.
Изготовленная из дешевых, распространенных в изобилии и в значительной степени нетоксичных материалов, батарея более экологична, чем используемые в настоящее время. В отличие от воспламеняющегося электролита в литий-ионных батареях, гель и арамидные нановолокна не загорятся при повреждении батареи. Арамидные нановолокна могут быть извлечены из бронежилета при утилизации.
Для демонстрации своих батарей исследователи экспериментировали с игрушечными роботами обычного размера и миниатюрными игрушечными роботами в форме червя и скорпиона. Команда заменила свои оригинальные батарейки на воздушно-цинковые. Они подключали элементы к электродвигателям и воздействовали на них снаружи.
«Аккумуляторы, способные выполнять двойную функцию – хранить заряд и защищать «органы робота» – воспроизводят многофункциональность жировых тканей, служащих для накопления энергии в живых существах», – сказал Ахмет Эмре, докторант биомедицинской инженерии в лаборатории Котова.
Недостатком цинковых батарей является то, что они поддерживают высокую емкость в течение примерно 100 циклов, а не 500 и более, которые мы ожидаем от литий-ионных батарей в наших смартфонах». Это потому, что металл цинка образует шипы, которые в конечном итоге пробивают мембрану между электродами. Сильная арамидная нановолоконная сеть между электродами является ключом к относительно длительному сроку службы цинковых батарей. А недорогие и пригодные для вторичной переработки материалы позволяют легко заменять батареи.
Помимо преимуществ химического состава батареи, Котов говорит, что конструкция может позволить перейти от одной батареи к распределенному хранению энергии, используя подход теории графов.
«У нас нет ни одного мешка жира, который был бы громоздким и требовал бы много дорогостоящей передачи энергии», – сказал Котов. «Распределенное накопление энергии, которое является биологическим способом, – это путь к высокоэффективным биоморфным устройствам».
Такой подход к увеличению емкости будет особенно важен, поскольку роботы сжимаются до микроразмеров и ниже – масштабов, при которых текущие автономные батареи слишком велики и неэффективны.
«Конструкции роботов ограничены потребностью в батареях, которые часто занимают 20% и более от имеющегося пространства внутри робота, или составляют аналогичную долю веса робота», – сказал Николай Котов, профессор инженерных наук Джозеф Б. и Флоренс В. Сейка, который руководил исследованиями.
Технология применима для мобильных роботов – от роботов-доставщиков до медицинских роботов и роботов-аккумуляторов на велосипедных дорожках. С микро стороны исследователи исследуют роботов, которые могут самостоятельно монтироваться в более крупные устройства. Многофункциональные структурные батареи могут потенциально освободить место и снизить вес, но до сих пор они могли только дополнять основную батарею.
«Ни одна другая структурная батарея не сопоставима по плотности энергии с современными передовыми литиевыми батареями. Мы усовершенствовали предыдущую версию структурной цинковой батареи по 10 различным мерам, некоторые из которых в 100 раз лучше, чтобы это произошло», – сказал Котов.
Сочетание плотности энергии и недорогих материалов означает, что батарея уже может удвоить ассортимент поставляемых роботов, сказал он.
Однако это не предел». По нашим оценкам, роботы могли бы иметь в 72 раза большую мощность, если бы их экстерьеры были заменены на цинковые батареи, по сравнению с одной литий-ионной батареей», – сказал Минцян Ван, первый автор и недавно приехавший в лабораторию Котова научный сотрудник.
Новая перезаряжаемая цинковая батарея, разработанная исследователями Мичиганского университета, может обеспечить гораздо больше энергии и интегрироваться в структуру робота». Такой подход к увеличению емкости будет особенно важен по мере того, как роботы будут сжиматься до микромасштаба и ниже – масштабов, при которых текущие автономные батареи слишком велики и неэффективны.
Новая батарея работает путем пропускания ионов гидроксида цинка между цинковым электродом и воздушной стороной через электролитную мембрану. Эта мембрана частично представляет собой сеть из арамидных нановолокон – углеродных волокон, найденных в кевларовых жилетах – и нового полимерного геля на водной основе. Гель помогает пропустить ионы гидроксида между электродами.
Изготовленная из дешевых, распространенных в изобилии и в значительной степени нетоксичных материалов, батарея более экологична, чем используемые в настоящее время. В отличие от воспламеняющегося электролита в литий-ионных батареях, гель и арамидные нановолокна не загорятся при повреждении батареи. Арамидные нановолокна могут быть извлечены из бронежилета при утилизации.
Для демонстрации своих батарей исследователи экспериментировали с игрушечными роботами обычного размера и миниатюрными игрушечными роботами в форме червя и скорпиона. Команда заменила свои оригинальные батарейки на воздушно-цинковые. Они подключали элементы к электродвигателям и воздействовали на них снаружи.
«Аккумуляторы, способные выполнять двойную функцию – хранить заряд и защищать «органы робота» – воспроизводят многофункциональность жировых тканей, служащих для накопления энергии в живых существах», – сказал Ахмет Эмре, докторант биомедицинской инженерии в лаборатории Котова.
Недостатком цинковых батарей является то, что они поддерживают высокую емкость в течение примерно 100 циклов, а не 500 и более, которые мы ожидаем от литий-ионных батарей в наших смартфонах». Это потому, что металл цинка образует шипы, которые в конечном итоге пробивают мембрану между электродами. Сильная арамидная нановолоконная сеть между электродами является ключом к относительно длительному сроку службы цинковых батарей. А недорогие и пригодные для вторичной переработки материалы позволяют легко заменять батареи.
Помимо преимуществ химического состава батареи, Котов говорит, что конструкция может позволить перейти от одной батареи к распределенному хранению энергии, используя подход теории графов.
«У нас нет ни одного мешка жира, который был бы громоздким и требовал бы много дорогостоящей передачи энергии», – сказал Котов. «Распределенное накопление энергии, которое является биологическим способом, – это путь к высокоэффективным биоморфным устройствам».
https://econet.ru/articles/raspredelennoe-nakoplenie-energii
29.09.2020