Al igual que las reservas de grasa biológica almacenan energía en los animales, una nueva batería recargable de zinc se integra en la estructura de un robot para proporcionar mucha más energía, según ha demostrado un equipo de la Universidad de Michigan.
Un nuevo enfoque para aumentar la capacidad que será particularmente importante a medida que los robots sean cada vez más pequeños, por debajo de la escala en la que las actuales baterías son demasiado grandes e ineficientes.
Los diseños de los robots se ven restringidos por la necesidad de baterías que a menudo ocupan el 20% o más del espacio disponible dentro de un robot, o representan una proporción similar del peso del robot.
Nicholas Kotov, Profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka.
Las aplicaciones de los robots móviles están explotando, desde los aviones teledirigidos hasta enfermeras robóticas o los robots de almacén.
En el lado micro, los investigadores están explorando robots de enjambre que pueden auto-ensamblarse en dispositivos más grandes. Las baterías estructurales multifuncionales pueden potencialmente liberar espacio y reducir el peso, pero hasta ahora sólo podían complementar la batería principal.
Ninguna otra batería estructural reportada es comparable, en términos de densidad de energía, a las avanzadas baterías de litio de hoy en día. Mejoramos nuestra versión anterior de baterías estructurales de zinc en 10 medidas diferentes, algunas de las cuales son 100 veces mejores, para lograrlo. La combinación de densidad de energía y materiales baratos significa que la batería ya puede duplicar el rango de los robots de entrega.
Nicholas Kotov.
Pero este no es el límite. Estimamos que los robots podrían tener 72 veces más capacidad de energía si fueran reemplazados por baterías de zinc, en comparación con tener una sola batería de iones de litio.
Mingqiang Wang.
La nueva batería funciona pasando iones de hidróxido entre un electrodo de zinc y el lado del aire a través de una membrana de electrolito. Esa membrana es en parte una red de nanofibras de aramida -fibras basadas en el carbono que se encuentran en los chalecos de Kevlar- y un nuevo gel polimérico a base de agua. El gel ayuda a transportar los iones de hidróxido entre los electrodos.
Hecho con materiales baratos, abundantes y en gran parte no tóxicos, la batería es más respetuosa con el medio ambiente que las que se usan actualmente.
El gel y las nanofibras de aramida no se incendiarán si la batería se daña, a diferencia del electrolito inflamable de las baterías de iones de litio. Las nanofibras de aramida podrían ser recicladas de un chaleco antibalas, por ejemplo.
Para probar sus baterías, los investigadores experimentaron con robots de juguete de tamaño normal y miniaturizados en forma de gusano y escorpión. El equipo reemplazó sus baterías originales con células de zinc-aire. Conectaron las celdas a los motores y las envolvieron en el exterior de las espeluznantes orugas.
Las baterías pueden hacer doble de trabajo – almacenar la carga y proteger los ‘órganos’ del robot – replican la multifuncionalidad de los tejidos de grasa que sirven para almacenar energía en los seres vivos.
Ahmet Emre, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica en el laboratorio de Kotov.
El inconveniente de las baterías de zinc es que mantienen una alta capacidad durante unos 100 ciclos, en lugar de los 500 o más de las baterías de iones de litio de nuestros teléfonos inteligentes. Esto se debe a que el metal de zinc forma picos que eventualmente perforan la membrana entre los electrodos. La fuerte red de nanofibras de aramida entre los electrodos es la clave de la relativamente larga vida de ciclo de una batería de zinc. Y los materiales baratos y reciclables hacen que las baterías sean fáciles de reemplazar.
Más allá de las ventajas de la batería, Kotov dice que el diseño podría permitir un cambio de una sola batería a un almacenamiento de energía distribuida, usando el enfoque de la teoría de gráficos desarrollado en la U-M.
No tenemos un solo almacenamiento de grasa, que sería voluminoso y requeriría mucha transferencia de energía costosa. El almacenamiento de energía distribuida, que es la forma biológica, es el camino a seguir para los dispositivos biomórficos altamente eficientes.
Nicholas Kotov.
Vía umich.edu
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