Baterias biomórficas podem fornecer 72x mais energia para robôs

Como as reservas de gordura biológica armazenam energia nos animais, uma nova bateria recarregável de zinco se integra à estrutura de um robô para fornecer muito mais energia, demonstrou uma equipe liderada pela Universidade de Michigan.

Essa abordagem para aumentar a capacidade será particularmente importante à medida que os robôs encolhem para a microescala e abaixo – escalas nas quais as baterias autônomas atuais são muito grandes e ineficientes.

“Os projetos de robôs são restritos pela necessidade de baterias que muitas vezes ocupam 20% ou mais do espaço disponível dentro de um robô, ou respondem por uma proporção semelhante do peso do robô”, disse Nicholas Kotov, Joseph B. e Florence V. Cejka Professor de Engenharia, que conduziu a pesquisa.

Os aplicativos para robôs móveis estão explodindo, de drones de entrega e bots para levar para bicicletas a enfermeiras robóticas e robôs de depósito. No lado micro, os pesquisadores estão explorando robôs de enxame que podem se automontar em dispositivos maiores. As baterias estruturais multifuncionais podem potencialmente liberar espaço e reduzir o peso, mas até agora elas só podiam complementar a bateria principal.

Nenhuma outra bateria estrutural relatada é comparável, em termos de densidade de energia, às baterias de lítio avançadas de hoje.
Nicholas Kotov

“Nenhuma outra bateria estrutural relatada é comparável, em termos de densidade de energia, às baterias de lítio avançadas de hoje. Melhoramos nossa versão anterior de baterias de zinco estruturais em 10 medidas diferentes, algumas das quais são 100 vezes melhores, para que isso aconteça ”, disse Kotov.

A combinação de densidade de energia e materiais baratos significa que a bateria já pode dobrar o alcance dos robôs de entrega, disse ele.
“Mas este não é o limite. Estimamos que os robôs poderiam ter 72 vezes mais capacidade de energia se seus exteriores fossem substituídos por baterias de zinco, em comparação com uma única bateria de íon de lítio “, disse Mingqiang Wang, primeiro autor e recentemente pesquisador visitante do laboratório de Kotov.

A nova bateria funciona passando íons de hidróxido entre um eletrodo de zinco e o lado do ar através de uma membrana eletrolítica. Essa membrana é parcialmente uma rede de nanofibras de aramida – as fibras à base de carbono encontradas nos coletes Kevlar – e um novo gel de polímero à base de água. O gel ajuda a transportar os íons hidróxido entre os eletrodos.

Feita com materiais baratos, abundantes e em grande parte não tóxicos, a bateria é mais ecológica do que as atualmente em uso. As nanofibras de gel e aramida não pegam fogo se a bateria estiver danificada, ao contrário do eletrólito inflamável nas baterias de íon de lítio. As nanofibras de aramida podem ser recicladas de coletes à prova de balas aposentados.

Para demonstrar suas baterias, os pesquisadores experimentaram robôs de brinquedo miniaturizados e de tamanho normal na forma de um verme e um escorpião. A equipe substituiu suas baterias originais por células de zinco-ar. Eles conectaram as células aos motores e os envolveram ao redor dos rastreadores assustadores.

“Baterias que podem ter uma função dupla – armazenar carga e proteger os ‘órgãos’ do robô – replicam a multifuncionalidade dos tecidos adiposos que servem para armazenar energia em criaturas vivas”, disse Ahmet Emre, um estudante de doutorado em engenharia biomédica no laboratório de Kotov.

A desvantagem das baterias de zinco é que elas mantêm alta capacidade por cerca de 100 ciclos, em vez dos 500 ou mais que esperamos das baterias de íon de lítio em nossos smartphones. Isso ocorre porque o zinco metálico forma pontas que eventualmente perfuram a membrana entre os eletrodos. A forte rede de nanofibras de aramida entre os eletrodos é a chave para o ciclo de vida relativamente longo de uma bateria de zinco. E os materiais baratos e recicláveis tornam as baterias fáceis de substituir.

Além das vantagens da química da bateria, Kotov diz que o projeto pode permitir uma mudança de uma única bateria para o armazenamento de energia distribuída, usando a abordagem da teoria dos gráficos desenvolvida na U-M.

“Não temos um único saco de gordura, que seria volumoso e exigiria uma transferência de energia muito cara”, disse Kotov. “O armazenamento distribuído de energia, que é o caminho biológico, é o caminho a seguir para dispositivos biomórficos altamente eficientes.”

Um artigo sobre esta pesquisa será publicado na Science Robotics, intitulado “Biomorphic structure battery for robotics.”

Esta pesquisa é financiada pelo Departamento de Defesa, a National Science Foundation e o Air Force Office of Scientific Research. O teste da bateria foi realizado no U-M Energy Institute. Kotov também é professor de engenharia química, ciência e engenharia de materiais e ciência e engenharia macromolecular. Wang é um pesquisador de pós-doutorado no Harbin Institute of Technology, na China.