[科普中國]-不靠電池靠“血液”，這條仿生機(jī)器魚有什么特別之處？

眾所周知，電池包作為機(jī)器人的供能設(shè)備，嵌入機(jī)器人內(nèi)部，會增加機(jī)器人的自重，降低整體能量密度（能量密度即為單位重量下保有的電池容量），且為機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)徒增負(fù)擔(dān)。除此之外，當(dāng)代機(jī)器人的研發(fā)缺少生物體中存在的各器官功能交互特性，因此無法實(shí)現(xiàn)它們的高效性和自主性。受蓑鲉（獅子魚）外型啟發(fā)，科研人員研發(fā)了一款搭載碘化鋅氧化還原液流電池的水生軟體機(jī)器人。這款機(jī)器人的能量密度可達(dá)53 J g-1（焦耳每克），并可連續(xù)游動36.7個小時(shí)。再次加注電解液后，這條仿生魚可再次游動。這條仿生機(jī)器魚用的什么電池？了解這款軟體機(jī)器人的工作原理，先讓我們從碘化鋅氧化還原液流電池說起。首先，下圖（a）為電池組成部分，分別為最外部的硅膠皮膚、嵌鎳、嵌不銹鋼的石墨碳?xì)蛛姌O及電池中間的陽離子交換膜。其中埋入鎳線的石墨碳?xì)肿鲫枠O，埋入三股不銹鋼線的石墨碳?xì)肿鲫帢O（選用石墨碳?xì)肿鲭姌O是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔韌性，在電極中嵌入金屬線是為了提高導(dǎo)電性）。下面介紹電池內(nèi)部反應(yīng)原理，請見下圖（b）電池放電時(shí)，電池陽極板上（埋入鎳線的石墨碳?xì)郑┑慕饘黉\被氧化，釋放電子和二價(jià)鋅離子；電子流經(jīng)軟體機(jī)器人電子器件，為控制器及泵供能，依靠泵送進(jìn)而循環(huán)電解液。與此同時(shí)，二價(jià)鋅離子經(jīng)陽離子交換膜進(jìn)入陰極一側(cè)，三碘陰離子被還原為碘離子達(dá)到電荷平衡。泵送的電解液源源不斷地補(bǔ)充，以維持電池區(qū)塊內(nèi)的三碘陰離子的濃度，以達(dá)到循環(huán)過程中能量密度的穩(wěn)定發(fā)揮。這款軟體機(jī)器人巧妙地把電池電解液作為機(jī)器魚前進(jìn)的泵送介質(zhì)，電解液身兼復(fù)職，為機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)另辟蹊徑，并展示了一個多功能高能量密度的循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了類似于生物體血液系統(tǒng)的液壓傳遞、能量輸送的特性。這被研發(fā)人員生動地比喻為“機(jī)器血液”，機(jī)器血液的研發(fā)也為未來機(jī)器人高能量密度、自主性、高效率和多功能的研發(fā)提供了新思路。既然這條仿生機(jī)器魚完備了“血液系統(tǒng)”，它是不是就可以像真的魚一樣游得快，可趁人不注意時(shí)來個急轉(zhuǎn)彎。這條魚如何才能游得快，這和功率密度有關(guān)。首先，功率的大小取決于輸出電壓，特別是在大電流充放電下電池的輸出電壓水平。高倍率充放電性能越好，電池功率密度越高，加速游動、急轉(zhuǎn)彎等動作才得以實(shí)現(xiàn)。工作電壓及功率密度偏低是液流電池普遍存在的問題，這條仿生機(jī)器魚36小時(shí)的游動壽命是在較慢的游動速度下獲得的。游動速度僅為每分鐘前進(jìn)1.56倍身長（大概0.6米）。盡管研究人員已從搭建電池序列及提升電池有效面積的角度來最大化功率密度，但是機(jī)器魚功率密度的提升仍然是未來工作的方向，包括空間最優(yōu)化、電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、更換電極材料（由碳?xì)指鼡Q為碳紙）等。如何實(shí)現(xiàn)電池能量密度與功率密度的并存？鋰離子電池，目前市場上運(yùn)作最成功的的電池之一。對于鋰離子電池純電動汽車，消費(fèi)者期待它既要跑得遠(yuǎn)又要跑得快?？梢哉f，兼具高能量密度和高功率密度，是動力鋰離子電池的終極命題。從單體電芯而言，同時(shí)達(dá)到高容量和高倍率特性，往往受到正極/電解液/負(fù)極電極材料之間本征傳輸特性的制約。例如鋰電體系的本征載流子傳導(dǎo)與輸運(yùn)行為取決于正負(fù)極材料的電導(dǎo)率、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)、有機(jī)電解液電導(dǎo)率這幾個主要因素。相對于開頭提到的氧化還原液流電池，鋰離子在正極材料和負(fù)極材料(層狀結(jié)構(gòu))中的擴(kuò)散系數(shù)普遍比前者中的速率常數(shù)低數(shù)個數(shù)量級。而且，有機(jī)電解液的離子電導(dǎo)率比水系二次電池電解液(強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿)同樣低幾個數(shù)量級。所以說，鋰離子電池不具備“快速充放電”的特性，即高功率性能。100C快速充電的鈦酸鋰電池（LTO）。倍率100C是什么意思？1C倍率是指電池可在1h的時(shí)間里充放出標(biāo)定容量的電量，那么100C倍率是指電池可在1/100h的時(shí)間里充放出標(biāo)定容量的電量。那么意味著一分鐘不到就可以把車充滿電，這正好迎合了消費(fèi)者的需求。鈦酸鋰優(yōu)異的功率特性與其晶體結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散機(jī)制有關(guān)，但是，其能量密度很低。而且單位重量的鈦酸鋰要比常規(guī)負(fù)極價(jià)格高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。低性價(jià)比與低能量密度導(dǎo)致鈦酸鋰電池?zé)o法成為動力電池市場的主流。既然有機(jī)電解液的導(dǎo)電性差，我們可不可以換其他材料做電解液呢？或許有人會說，離子液體全部由離子組成，電導(dǎo)率高，高溫性能好，幾乎不可燃，安全高效，且電化學(xué)窗口寬泛，甚至可做高壓電解液。對于這個提議的回答是肯定的。目前已有不少國家“973”、“863”項(xiàng)目在鋰電池中引用離子液體，但也只是作為添加劑或共溶劑提高電池的安全性、耐高溫性及循環(huán)性能。離子液體作為電解液獨(dú)立使用，目前還需要等待電池正負(fù)極材料搭配離子液體的更廣泛研究工作的完成。這些問題需要使用高精度設(shè)備實(shí)時(shí)在線檢測電池內(nèi)部的充放電過程才能搞清楚，離子液體在能源領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍需要時(shí)間去檢驗(yàn)。同樣的，還有全固態(tài)電池，作為新一代動力電池的希望，全固態(tài)電池具有安全性好，壽命長，能量密度高，高電壓穩(wěn)定性的特點(diǎn)，它的產(chǎn)業(yè)化已在進(jìn)程中。據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》今年6月11日報(bào)道稱，圍繞被認(rèn)為是純電動汽車(EV)和物聯(lián)網(wǎng)“IoT”普及的關(guān)鍵要素的“全固體電池”，日本眾多廠商爭相進(jìn)行研發(fā)。著眼于2020年的普及期，日本廠商著力向量產(chǎn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)技術(shù)建設(shè)課題發(fā)起挑戰(zhàn)。燃料電池，能量密度與功率密度兼?zhèn)涞碾姵?。跳出封閉系統(tǒng)的盒子，往開放式系統(tǒng)的方向看，這種電池是存在的。傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)無論如何都逃不脫正負(fù)極電解液，電池研發(fā)者無時(shí)無刻不在關(guān)注電池里面發(fā)生了什么，封閉系統(tǒng)中，任一部件的跳水性的性能衰減都會對電池的整體性能帶來致命一擊，甚至引發(fā)安全事故。兼具能量密度與功率密度的佼佼者，燃料電池的高能量和高功率特性正是由其獨(dú)特的開放式工作原理決定的。其獨(dú)特的異相電催化反應(yīng)過程使得不管是氫的電化學(xué)氧化還是氧的電化學(xué)還原，都可以在鉑/碳催化劑表面獲得較高的交換電流密度。以豐田-未來型號（ToyotaMirai）為例，3分鐘加滿氫氣，續(xù)航里程可達(dá)650km, 能量密度高于350瓦時(shí)每千克（Wh/Kg），功率密度高達(dá)2.0千瓦每千克（KW/Kg），相比之下，TeslaModelS的鋰離子電池系統(tǒng)續(xù)航里程450km，能量密度237Wh/kg，功率密度0.28kW/Kg比ToyotaMirai低一個數(shù)量級。燃料電池雖然打破了“快充”的屏障，卻帶來了加燃料難的問題。因?yàn)殡妱悠嚦潆姾碗娋W(wǎng)的結(jié)合很容易，而燃料電池的加氫問題和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度遠(yuǎn)比建充電站要大得多。在日本本土，氫氣供應(yīng)站也處于數(shù)量有限，分布不均的狀態(tài)，且最新數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的氫氣供應(yīng)站中處于“休止中”狀態(tài)的占四成。關(guān)于電池的能量密度與功率密度的博弈簡單介紹到這里，無論在哪一種電池載體下，這場讓動力汽車或是仿生機(jī)器人更強(qiáng)、更遠(yuǎn)、更快的“戰(zhàn)役”從未停歇。作者 | 【中】楊歡 日本京都大學(xué)能源科學(xué)研究院能源基礎(chǔ)科學(xué)專業(yè)博士審閱 | 林建 深圳比克動力電池研發(fā)副總裁編輯 | 王波文章由騰訊科普“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請注明來自科普中國參考文獻(xiàn)：1. Aubin C. A., Choudhury S., Jerch R., Archer L. A., Pikul L. H., Shepherd R. F., Electrolytic vascular systems for energy-dense robots. Nature 2019, 571, 51–57.2. Yoshida, T.; Kojima, K., Toyota Mirai Fuel Cell Vehicle and Progress toward a Future Hydrogen Society. The Electrochemical Society Interface 2015, 24, 45-49.3. Potter, A.; Graham, S., Supplier Involvement in Eco-Innovation: The Co-Development of Electric, Hybrid and Fuel Cell Technologies within the Japanese Automotive Industry. Journal of Cleaner Production 2019, 210, 1216-1228.