Tecnologia Científica

Baterias bioma³rficas podem fornecer 72 vezes mais energia para robôs
O trabalho no laboratório de Nicholas Kotov continuou durante a pandemia, enquanto os pesquisadores desenvolviam uma nova bateria recarrega¡vel de zinco que se integra a  estrutura de um roba´ para fornecer muito mais energia.
Por Nicole Casal Moore - 20/03/2021


Reprodução

O trabalho no laboratório de Nicholas Kotov continuou durante a pandemia, enquanto os pesquisadores desenvolviam uma nova bateria recarrega¡vel de zinco que se integra a  estrutura de um roba´ para fornecer muito mais energia.

A membrana da bateria éum nanomaterial a  base de cartilagem, usando Kevlar reciclado.

“O design da membrana ébaseado em 30 anos de trabalho para entender como a natureza da membrana funciona e também como recria¡-la em materiais adequados para a produção em massa”, disse Nicholas Kotov, professor de Joseph B. e Florence V. Cejka de Engenharia da Universidade de Michigan, que liderou a pesquisa.

Essa abordagem para aumentar a capacidade seráparticularmente importante a  medida que os robôs diminuem para a microescala e abaixo - escalas nas quais as baterias auta´nomas 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 dispona­vel dentro de um roba´, ou respondem por uma proporção semelhante do peso do roba´â€, disse Kotov.

Os aplicativos para robôs ma³veis estãoexplodindo, de drones de entrega e bots de transporte de ciclovias a enfermeiras roba³ticas e robôs de depa³sito. No lado micro, os pesquisadores estãoexplorando robôs de enxame que podem se automontar em dispositivos maiores. As baterias estruturais multifuncionais podem potencialmente liberar espaço e reduzir o peso, mas atéagora elas são podiam complementar a bateria principal.

"Nenhuma outra bateria estrutural relatada écompara¡vel, em termos de densidade de energia, a s baterias de la­tio avana§adas de hoje".

Nicholas Kotov

“Nenhuma outra bateria estrutural relatada écompara¡vel, em termos de densidade de energia, a s baterias de la­tio avana§adas de hoje. Melhoramos nossa versão anterior de baterias de zinco estrutural em 10 medidas diferentes, algumas das quais são 100 vezes melhores, para que isso acontea§a ”, 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 éo limite. Estimamos que os robôs poderiam ter 72 vezes mais capacidade de energia se seus exteriores fossem substitua­dos por baterias de zinco, em comparação com uma única bateria de a­on de la­tio ”, disse Mingqiang Wang, primeiro autor e recentemente pesquisador visitante no laboratório de Kotov.

A nova bateria funciona passando a­ons de hidra³xido entre um eletrodo de zinco e o lado do ar atravanãs de uma membrana eletrola­tica. Essa membrana éparcialmente uma rede de nanofibras de aramida - as fibras a  base de carbono encontradas em coletes Kevlar - e um novo gel de pola­mero a  base de a¡gua. O gel ajuda a transportar os a­ons hidra³xido entre os eletrodos.

Feita com materiais baratos, abundantes e em grande parte não ta³xicos, a bateria émais ecola³gica do que as atualmente em uso. As nanofibras de gel e aramida não pegam fogo se a bateria estiver danificada, ao contra¡rio do eletra³lito inflama¡vel nas baterias de a­on de la­tio. As nanofibras de aramida podem ser recicladas de coletes a  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 escorpia£o. A equipe substituiu suas baterias originais por células de zinco-ar. Eles conectaram as células aos motores e as envolveram ao redor dos rastreadores assustadores.

“Baterias que podem ter uma função dupla - armazenar carga e proteger os 'órgãos' do roba´ - 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 éque elas mantem alta capacidade por cerca de 100 ciclos, em vez dos 500 ou mais que esperamos das baterias de a­on de la­tio em nossos smartphones. Isso ocorre porque o metal de zinco forma pontas que eventualmente perfuram a membrana entre os eletrodos. A forte rede de nanofibras de aramida entre os eletrodos éa chave para o ciclo de vida relativamente longo de uma bateria de zinco. E os materiais baratos e recicla¡veis ​​tornam as baterias fa¡ceis de substituir.

Além das vantagens da química da bateria, Kotov diz que o projeto pode permitir a mudança de uma única bateria para o armazenamento de energia distribua­da, usando a abordagem da teoria dos gra¡ficos desenvolvida na UM.

“Nãotemos um aºnico saco de gordura, o que seria volumoso e exigiria uma transferaªncia de energia cara”, disse Kotov. “O armazenamento distribua­do de energia, que éo caminho biola³gico, éo caminho a seguir para dispositivos bioma³rficos altamente eficientes.”

Um artigo sobre essa pesquisa, “Baterias estruturais bioma³rficas para roba³tica”, serápublicado na Science Robotics.

A pesquisa éfinanciada pelo Departamento de Defesa, National Science Foundation e Air Force Office of Scientific Research. O teste da bateria foi realizado no UM Energy Institute. Kotov também éprofessor de engenharia química, ciência e engenharia de materiais e ciência e engenharia macromolecular. Wang éum pesquisador de pa³s-doutorado no Instituto de Tecnologia de Harbin, na China.

A Universidade de Michigan solicitou proteção de patente e estãoprocurando parceiros comerciais para levar a tecnologia ao mercado.

 

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