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强强联合！机器人+水系电池最新Science子刊！

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-10 08:44

正文

第一作者： Xu Liu, Shuo Jin

通讯作者： Robert F. Shepherd, Lynden A. Archer

通讯单位：美国康奈尔大学

【成果简介】

在无束缚水下机器人（UUVs）使用过程中，电池为电子设备和马达提供能量，其所需的能量越多，机器人就必须越大，以容纳更多的能源存储空间。其中，通过选择主要由液体介质组成的电池（例如液流电池（RFBs）），增加的重量可以更好地分布，以提高容量并减少转动惯量。

在此， 美国康奈尔大学Robert F. Shepherd教授和Lynden A. Archer教授等人 将一个RFB塑造成水母的形状，使用两种氧化还原化学和结构：（i）一个二次ZnBr ₂ 电池和（ii）一个混合一次/二次ZnI ₂ 电池。一个UUV能够仅由RFBs供电，其体积能量密度（Q ~ 11Ah/L）和面积能量密度（108 mAh/cm ² ）都有所提高，从而为主要由电化学能量密集型液体组成（约占机器人重量的90%）的UUVs带来了长达1.5小时的循环寿命。

相关研究成果以“ The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot ”为题发表在 Sci. Adv. 上。

【研究背景】

在无束缚机器人中延长循环时间所需的更多功率和能量一直是一个重要的目标。为了容纳更高容量和更强大的能源存储系统，通常需要增大机器人的尺寸，这会减少建筑设计的自由度，增加惯性，降低效率和敏捷性，并增加运输成本。同时，现今机器人的能源系统通常是单一用途的，为了增加操作时间，工程师必须选择能量密度更高的电池或向机器人中添加更多的电池体积。锂离子电池的高能量密度使它们成为机器人的常见选择，通过将电池中储存的电化学能融入机器人结构和机械的一个整体部分，电池可以成为机器人所需形态的质量和体积的更大比例，减少惯性和拖曳效应，同时增加容量。这种体现能量的方案在自然界中很常见，大多数组件都具有多种功能。例如，水母也多功能地使用能量。它的身体主要由“中胶层”组成，使它的身体有弹性，帮助在变形后恢复身体形状，并作为内部骨架支撑身体。这种中胶层由水母用来驱动其肌肉并允许其移动和觅食的含原纤维蛋白的微纤维组成。

之前，作者展示了将液流电池（RFB）的液体电解质多功能使用作为液压油和电能存储的概念，用于一个形状像狮子鱼的游泳无束缚水下机器人（UUV）。然而，很少有人关注最大化机器人的容量，或通过最小化其重量或调整其形状来减少其惯性。

【研究内容】

因此，使用RFB的多功能性来增加机器人的容量，并通过精确设计电池的形状来提高敏捷性。例如，如果一个长方体电池设计定义了机器人的形状，那么它的转动惯量（I）会不必要地大，限制了它快速改变方向的能力（图1A）。对于越来越大的机器人，这种盒子形状会增加比例上的惯性矩；相比之下，一个半球形机器人的I增加会小得多。虽然可以在立方体外添加一个半球形外壳，但由于表面积的增加，它会因总皮肤摩擦增加而增加机器人的摩擦。在本文的液流电池中，很容易构建一个完全充满电解液的半球形机器人几何体，随着尺寸的增加而增加电容量，同时轻松地塑造机器人以提高敏捷性。钟形结构的运动使电解质重新补充与电流收集器接触的离子，消除了在RFB能量存储中典型的专用泵的需求（图1C）。

图1. 一个由 RFB 提供动力的水母机器人。

对于RFB电解质液体，作者选择了基于水溶液的锌离子电解质，它们具有化学简单性、高理论能量密度、预期的高功率密度和相对较低的成本。同时，引入了一种快速充电方法，将充电时间缩短至9分钟。为了便于快速充电，设计了水母UUV，带有一个阀门，允许用充满电的流体排出用过的电解质（图1D）。

控制系统设计

图2A显示了机器人的控制系统，与驱动系统一样，RFB也为Teensy 3.2微控制器和电机驱动载体供电。微控制器和电机驱动器控制电机的转速，从而调节机器人的游泳速度。游泳速度不仅由Teensy设置的电压控制，也受到流电池能够提供的总功率密度的限制。在机器人测试中，将电机占空比设置为100%以获得最高的游泳速度。控制模块腔室中的空气增加了机器人的浮力，这有助于抵消电解质与周围水之间的轻微密度差异。为了在操作过程中保持水母的直立姿态，还设计了一个在机器人底部增加额外重量的外壳，中心质量的位置也允许根据特定操作要求控制机器人的方向。

图2. 水母的系统制造。

同时，作者选择水溶液ZnBr ₂ 液流电池（RFB）作为水母系统的动力来源，它与其他水基Zn基RFBs相比具有更高的功率密度。图3A展示了单个ZnBr ₂ RFB电池的示意图，而图3B提供了ZnBr ₂ RFB与水母UUV集成的概览。在充电和放电循环中，总的电势差为1.8V。在设计机器人时，为确保操作安全并避免在操作过程中释放Br _{2，作者将RFB中的阴极液和阴极碳毡作为固定电极密封，没有流动。因此，ZnBr} ₂ RFB在高达40 mA cm ^-2 的电流密度下显示出稳定的充放电平台，维持平均放电电压约为1.6V（图3C）。此外，改进的界面增强了系统的循环稳定性，如图3D所示，ZnBr ₂ RFB在40 mA cm ^-2 和3.5 Ah L ^-1 的条件下连续运行超过40次，同时保持稳定的放电平台。

图3. ZnBr ₂ 液流电池系统。

图4A展示了用于水基ZnI ₂ RFB的电池，其中包含了石墨烯和活性碳改性的电极，与ZnBr ₂ RFBs类似。与ZnBr ₂ RFBs不同，I ₂ 比Br ₂ 更安全，这使得可以切换阳极液和阴极液的流动通道，并充分利用钟形容器更大的体积。为了建立初级ZnI ₂ RFB，首先在石墨烯涂层的阳极上电沉积了Zn。在第一个循环中，电池作为一次电池运行，放电阴极液中储存的所有能量。如图4C所示，初级ZnI ₂ RFBs在20 mA cm ^-2 的电流密度下稳定运行长达5小时，展现出约11 Ah L ^-1 的能量密度和约110 mAh cm ^-2 的面积功率密度，放电深度约为69%。同时，固态碘是电绝缘体，导致过电位迅速增加，随后放电电压下降。然而，在第一次放电后还剩下Zn，可以打开钟形结构上的阀门，替换耗尽的阴极液，继续运行UUV。这种充电机器人的方法带来了自己的优势，与常规锂电池相比，它引入了新的操作模式。

图4. 可充电的ZnI ₂ 液流电池系统。

水母的钟形结构可以储存4升电解质溶液，为了使水母游动并流动电解质，使用了一个电机来拉动钟形结构。钟形室由硅胶制成，呈半球形（直径30厘米），在完整的周期中，底部比顶部受到更多的阻力，使其能够向上游泳。为了驱动电机，将六个ZnBr ₂ RFB组装成一个能够输出9.6V、1.6A的堆叠。使用了ZnBr ₂ 溶液作为阴极液，并将其浓度调整到15M的饱和浓度，以最大化电池的容量。在测量水母的游泳速度时，跟踪了钟形结构顶部的位置，它在游泳过程中进行了逐步的向上移动和形状变化。通过这种机制，水母实现了每秒2cm的上升速度，从水箱底部爬到顶部消耗了26.7焦耳的能量。此外，还可以从图5A中看到，其游泳动作与理论模型相匹配，主要由不同动作周期部分的流体力不对称性以及质心的周期性振荡决定。

图5. 水母试验与模拟。

由于ZnI ₂ RFB系统的功率密度低于ZnBr ₂ ，作者连接了10个电池（五个串联，然后并联）以提高机器人的游泳性能。基于图4C中大约11 Ah L ^-1 的能量密度，4升电解质溶液提供了大约44 Wh的总能量储存。值得注意的是，仅由一次ZnI ₂ RFB供电的水母UUV在实际游泳时间上游泳了长达1.5小时，其长时间的游泳能力归功于其90%的电池质量比（图6A）。

图6. 水母和其他机器人的能量储存。

【结论展望】

综上所述，作者选择了水母的形状作为一个简单而高效的游泳机器人增加能量存储的灵感。相对于集流体等固体元件，这个钟形结构允许能够储存较大比例的液体电解质，并且其半球形的形状相对于其他可能的几何形状，结果得到了相对较低的转动惯量。作者最终使用了4L电解质来填充水母机器人的弹性钟形结构，估计其容量为44Wh。同时，为了将这种能量容量转换为足够的功率以驱动电机游泳，构建了电解质流动条件和集流体结构，以产生高达150mW cm ^-2 的功率密度。此外，电机由RFB供电，通过拉动两个杠杆连接的肌腱网络来驱动水母的钟形结构上下移动，游泳速度可达2 cm s ^-1 。

【文献信息】

Xu Liu†, Shuo Jin†, Yiqi Shao, Sofia Kuperman, Autumn Pratt, Duhan Zhang , Jacqueline Lo, Yong Lak Joo, Amir D. Gat, Lynden A. Archer*, Robert F. Shepherd* , The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot , Sci. Adv., https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7430

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