机器人需要更好的电池

移动机器人可以跳舞在舞台上,表演优美的杂技,甚至抬起重物。但是如果你看到他们昂首挺胸地一两个小时,你会看到机器人停止。像人类一样,移动机器人最终排气,他们携带的能量,和需要充电。

这个问题是针对移动机器人。机器人固定在一个工厂可以做沉重的工作一整天,因为他们可以从电网中吸取取之不尽的能源。流动使机器人更大的灵活性,但在需要充电的成本能源——在大多数情况下,某种形式的电池。

自然的一部分前景:机器人技术和人工智能

智能手机的紧凑的性质可以欺骗我们的电池是不重要的对象。错觉是因为现代电子产品只需要很少的能量发送信号或流程数据。但是运输机器人或者周围的人,或者解除沉重的负荷,需要更多的能量。如果你拿起一个无绳工具,你会觉得它超过一个绳。电动汽车可以旅游了五个小时(约500公里,从巴黎到阿姆斯特丹的距离)之间的高速公路速度充电需要电池,占三分之一或更多的车辆总重量。

移动机器人腿上,然而,不能容忍这种巨大的电池。,马萨诸塞州沃尔瑟姆的机器人公司波士顿动力公司,销售一个四条腿的dog-size机器人称为现货,重约32 kg -这是电池的八分之一。但是,美国公司的典型运行时只有90分钟。人形机器人开发走大量具有相同的限制。阿特拉斯公司的1.5米,89公斤人形示威者有两个手臂和两条腿,可以做体操和抬起重物。但该公司没有说多长时间可以运行之前,需要充电。为移动机器人更有能力的工人,他们的电池需要更大的能量密度——也就是说,他们需要包瓦特时的能量更少公斤的质量。“能量密度仍然相当远离权力我们需要机器人,“说Ravinder闹市区Dahiya(东北大学电子工程专业机器人在波士顿,马萨诸塞州。

能量密度问题的严重性取决于机器人的规模和结构,它的功能和需要多少能量。机器人可以导航走楼梯,内部的建筑和崎岖的地形比轮子,但他们不能携带的电池一样大。持续飞行需要更多的能量,使电池重量严重限制任何比昆虫大小。

锂的局限性

电池自意大利物理学家已经走了很长的路Alessandro Volta在1800年发明了这项技术的最早版本。今天,先进的电源是锂离子电池,在1970年代发明的化学家斯坦利·惠廷汉姆,现在广泛应用于手机、笔记本电脑、工具和电动汽车。这项技术获得惠廷汉姆,现在位于宾翰顿的纽约州立大学,2019年诺贝尔化学奖。

电池不产生能量;他们储存能量所产生的化学反应,会产生积极的离子和电子。离子电池的一端,称为阴极,电子在另一端,称为阳极。离子和电子坐在这两个结束,直到他们由导体连接,完成电路,使电子从阳极电流流向外部连接的负载提供电力——比如一个电动马达,然后到阴极。当使用的化学物质,要么被替换的电池或充电电流通过它相反的方向,扭转反应。

电池的主要优势是他们直接提供能量以电能的形式,而化石燃料必须燃烧产生热量,驱动发电机。这避免了碳排放,虽然总排放量取决于最初的能源生产。然而,机器人必须携带他们所使用的能源,和电池重量比化石燃料越来越占据更多的空间。电动汽车,例如,需要一个电池大得多的要重,也超过了一个燃料箱。

锂离子电池在1991年达到市场时,提供每公斤80瓦特小时的电能的电池重量¹。这意味着花了一公斤电池电力(标准)60瓦白炽灯一小时20分钟,让它最好的电池。现在,典型的商业锂离子电池携带每公斤三倍的能量。“但即使是这样的电池太沉重,吃力的行走机器人。

化学的追求

锂离子电池是精疲力竭了。化学有改进的空间越来越少,理查德·Schmuch说化学家弗劳恩霍夫研究所的电池生产明斯特,德国。锂本身是稀有和昂贵的。钴也是如此,另一个关键因素,可以高达20%的重量在电动汽车锂离子电池阴极。提取两个元素都需要消耗大量的能源和水。此外,矿业的钴与工人的剥削。

另一个问题是优化电池,以满足机器人的需求。说:“锂离子电池很多才多艺Schmuch。“你可以调整为不同类型的操作条件下,“从智能手机到汽车机器人。但它不能做一切成本效益。他预计新类型的电池需要服务的新兴需求机器人以及其他应用程序。

经过30多年的发展,锂离子电池被认为是一项成熟的技术。不过,继续努力改善这些复杂的电化学系统。他们聚集在单位被称为细胞,打包在一起,提供所需的电力输出。每个单元格都包含-除了阳极和阴极电解液离子可以移动,通过分离器来防止短路和电气终端包装电池连接到其他细胞。广泛的研究已经进入每个部分的构成来实现能量密度高,充电和放电速率、可靠性和寿命。在这种技术的重要成就是电池,可以充电多达6000次。

一个试图提高锂的性能需要做阳极和阴极石墨纳米sulfur-graphite复合材料而不是标准。这种锂硫电池的潜力提供更低的成本和更高的能量密度。这些电池尚未成功商业化,然而;使用可能会限制在专门的应用程序,如航空,减少电池重量是取得进展的关键。电池特性可以通过调整设计定制的细节,如纳米结构的类型以及如何使用离子和电子流过电池。但许多开发人员想要的是新电池化学设计满足各种各样的需求(见“包装的力量”)。

可能会导致退一步从锂最大的吸引力——它是最轻的金属元素,原子量为7。然而,虽然锂电池是绝对有必要的能量储存和释放,其他材料组成的电池的质量。包括包装,只有约1%的锂离子电池的重量是锂阴极(大部分)。阴极还包含更多的其他四个金属:钴、镍、铝和锰。锂和钴的几个问题导致严重的兴趣也是钠电池。

如锂、钠是一种碱金属和两个如此相似的化学研究人员追求钠锂电池,在问题。钠-设计的一个重要优点是钠唾手可得的海水和盐沉积,避免供应链问题带来的成本和短缺锂。钠电池有点重每千瓦时的能源——钠的原子量是23,锂的三倍多。不过,降低材料成本预计将使钠电池明显便宜。一个更大的好处切换到钠将来自减少或消除需要钴在阴极,这已经证明了几个样品。

说:“肯定是钠离子获得牵引Schmuch,理由是他们在德国的发展,弗劳恩霍夫正在与行业,在中国,当代Amperex技术(CATL)在宁德市-世界领先的电动汽车锂离子电池制造商,推出了第一代的钠电池在2021年。今年4月,在芜湖奇瑞汽车,中国宣布计划安装CATL钠电池的汽车。也在4月,CATL表示,它已经开发出一种新的电动汽车电池的能量密度每千克500瓦特时。此电池使用一个不同的技术,CATL尚未确定。

固体的解决方案

电池化学变化的另一种方法是改变电解质的状态,取代锂离子电池中使用的导电液体导电固体。支持者认为这样防止固态电池提供最好的前景可能致命的火灾与锂电池,以及为提高能量密度和降低成本。

金属锂的火灾隐患来自细丝的存款被称为树突生长在电解质的电池。锂原子溶剂中结晶形成金属丝,如植物根系。金属锂是导电,树突传播他们可以短路电池和引发火灾。钠是更倾向于树突的形成,和开发人员认为这质量使钠电池比锂离子电池安全。他们也会降低成本,从长远来看可能提供更高的能量密度。

广泛的固态电池的发展。锂仍然是一个受欢迎的材料因其重量轻、能量密度高、rechargeability。但是一些研究人员正在探索其他金属希望避免锂的已知问题。

转换一种锂电池特别是从液态到固态电解质导致效率的巨大的进步。受益人是锂空气电池,产生权力从锂原子的氧化空气中的氧气。与钠电池,能量密度的主要目标不是许多人致力于固态电池。“开发固态电解质的原因是使锂空气电池更安全,使充电周期更稳定,”穆罕默德说Asadi,化学工程师在芝加哥伊利诺理工大学。

然而,当Asadi和他的同事从Lemont阿贡国家实验室,伊利诺斯州建立了一个实验性的固态锂空气电池²,他们惊奇地发现,能量密度的技术带来了明显的好处。设备转移四个电子每反应而不是一个或两个电子反应,锂空气电池正常生产。结果,Asadi说,固态电解质”帮助我们存储更多的能量每单位重量的三至四倍”与传统的锂离子电池比是可能的。

事实上,他们的新固态电解质改变之间的化学氧和锂。在标准的锂空气电池、空气中的氧分子与锂原子反应生成两种化合物。一个氧原子和一个锂原子分子之间的反应生成过氧化物锂(利奥₂),产生一个电子。两个锂原子和一个氧气分子之间的反应生成过氧化锂(李₂O₂),该收益率两个电子。

Asadi的团队使其固态电解质结合纳米粒子含有锂、锗、磷和硫(李₁₀《全球经济展望》₂年代₁₂用聚合物)。在此结构中,两个锂原子可以结合一个氧原子产生氧化锂(李₂O)和四个电子。这很难做到,因为它需要分裂一个氧分子(O₂)来产生一个氧原子。测试单元,只有一枚硬币的大小,是一个概念证明。根据Asadi,这个原型表明可以达到一个特定的能量一千瓦时每公斤——高于与今天的锂离子技术是可行的。

Power-studded结构

提高电池的能量密度使这些力量包轻,从而允许给定大小的移动机器人做更多的工作。这种机器人的电池设计涉及的内容比化学。和一种意识到这将是较小的电池作为一个机器人——不仅仅是储存能量的结构元素也成为部分躯干和腿来帮助它走路和平衡。这个想法来自生物学。不仅我们的骨头结构支撑——他们还包含产生血细胞的骨髓。“多功能性是至关重要的”当你制造机器人的移动,Nicholas Kotov说,安阿伯市密歇根大学的化学工程师。

“仿生机器人,机器人越小,需要更多的生物概念,“Kotov说。他和其他机器人叫二足机器人仿人因为他们直立行走,有类似的健身操。“我们想让机器人光和消耗尽可能小为的能量,”Kotov说。“如果电池只是坐在那里,什么也不做(但提供动力),它是不够的。”

Kotov集团是无人机,特别感兴趣,他说:“每克数,如果电池可以服务于多个函数,我们可以有更多的功能空间”。他的小组正在为军用无人机结构电池,尽管没有很多工作都已经昭然于世。军事实验室也在人形机器人工作等任务的辐射区域内工作,并检查叛乱分子藏在战斗中建筑物区。

一些材料用于电池储能也特别适合被结构元素。例如,Kotov说,“锌结构电池”是一个很好的理由。它是便宜的,储存能量,金属在空气中是稳定的。他的实验室演示了一个生物形态的锌电池比锂电池可以存储72倍的能量相同的体积³。然而,交易是不可避免的。锌电池rechargeability有限,所以他们最好保持了罕见的使用。

另一个前景看好的多功能材料是铝,去年,显示快速rechargeability数以百计的周期在温度略高于水的沸点,也没有形成铝树突⁴。不到六分之一的人员项目成本的可比性和类似的能源容量锂离子电池。

Kotov也在开发芳纶纤维为电池提供结构强度外壳和内部的电池结构³。这些纤维的幸运的组合功能,包括强度、弹性和硬度使得他们有用的防护屏蔽。一个特别有用的属性的能力阻止树突增长之间的电极。此外,芳纶提供了一个环境优势——它是由回收的凯夫拉尔,一个强大的、轻量级的材料,当电池磨损,为进一步使用纤维可以回收。

能源以外的电池

到2030年,Dahiya预计能源为移动机器人的发展扩大超出电池。其中的一些概念起源于生物学。

一个例子是装备机器人与能源矿车运行在远程站点,收集能量储存能量,他们当地的环境⁵。机器人可以收集能量以无线电波的形式或阳光,或从一个热梯度。然而,能量收获不是高效热泵或无线充电器,但是它可以运行在任何合适的环境没有特殊的充电设备。也有示威游行的微小bacterial-driven微生物燃料电池,或生物电池,能收获材料从当地生物群提供补充力量⁶。

另一个概念借用生物学分布能量以不同的方式通过机器人的身体而不是集中在一个电池背包上使用一些实验性的人形机器人⁵。人类有三种类型的能量储存:甘油三酯的脂肪细胞,糖原星团周围肌肉和线粒体ATP产生的。这些系统演变为不同的能源需求。“人类和动物需要快速能源和缓慢,“Kotov说。他们需要快速的能量冲刺,减缓能源走了许多公里。

机器人和无人驾驶飞机同样在不同的时间有不同的需求。仿人机器人需要快速能源抬起沉重的负载或跑上楼梯,和慢能源公园巡逻字段或一辆车。电池很好稳定的散步或慢跑,但不是短跑。这种差距导致装备机器人感兴趣的不同类型的设备——超级电容器提供电能更快。而不是使用化学储存能量,一个超级电容器储存电荷收集在一段时间内从一个电路。时需要的能量,系统排放存储电子非常迅速。超级电容器用于再生制动系统在汽车和能够承受更多的比能电池的充放电循环⁷。在未来,他们能给移动机器人快速启动或快速停止。

电池的锂代智能手机在我们的口袋和电动汽车在我们的道路。早期的研究人员目前正在开发新一代的便携式能源将更轻、更有效的和潜在的便宜。

然而成本可能仍然是麻烦,提醒材料化学家Donald Sadoway在剑桥的麻省理工学院。Sadoway,关注储能技术,把不感兴趣的“新化学电池的有利price-to-performance比率低于今天的锂离子”。他说,目前还不清楚是否“足够大的商业机会吸引所需的投资必要的研究和开发发明的新技术和市场”。

材料科学家雪莉孟依然前途光明,谁是首席科学家阿贡储能科学中心合作的阿贡国家实验室。她说使用空气中的氧气作为阴极是“电池科学家的终极梦想”提供高能源,重量轻。“好进展”锂空气电池,阿贡国家实验室合作,但她说“我们仍然面临很多挑战,理解和克服限制因素使空气阴极”。

孟预测钠电池,自由的元素如锂、镍和钴,“会发现其利基发光”是因为它的性能比成本高。固态电池”,提供了实现的可能性最高的体积能量密度在机器人应用程序的空间是有限的”,她说。他们还提供了独特的灵活性在包装,可以在极端的温度,这是很重要的对于一些特殊用途的机器人。孟是乐观的,开发人员”将提供各种各样的电池解决方案不同类型的机器人应用程序”,与潜在的“打开应用程序,这些应用程序在以前不可能的”。