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University of Michigan

Biomorpher Zink-Luft-Akku für Roboter

01. September 2020, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Biomorpher Zink-Luft-Akku für Roboter
© University of Michigan

Die Außenhaut dieses Spielzeug-Roboters bildet die biomorphe Zink-Luft-Batterie, mit der dieser Skorpion mit Energie versorgt wird.

Wie Fettpolster die Energie bei Lebewesen speichern, so sorgt eine neue wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie, die in die Außenhaut eines Roboters integriert ist, für bis zu 72-mal mehr Energie als Lithium-Ionen-Batterien. Dies konnte ein Team der University of Michigan nachweisen.

Die Anwendungen für bewegliche Roboter explodieren, von Lieferdrohnen und Zustellrobotern bis hin zu Krankenpflegerobotern und Roboter für Lagerhäuser. Auf der Mikroebene befassen sich Forscher mit sehr kleinen Schwarmrobotern, die sich selbst zu größeren Einheiten zusammenschließen können. Dort wären herkömmliche Einzelbatterien zu groß und ineffizient. Biomorphe Batterien, die wie Fettpolster verteilt in die Struktur des Roboters integriert sind, können Platz schaffen und das Gewicht reduzieren. Bislang konnten sie die Hauptbatterie jedoch nur ergänzen, nicht aber ersetzen.

»Beim Design von Robotern sind die Entwickler durch den Bedarf an Batterien eingeschränkt, die oft mehr als zwanzig Prozent des verfügbaren Platzes im Inneren eines Roboters einnehmen oder einen etwa gleichgroßen Anteil an dessen Gewicht ausmachen«, erklärte Nicholas Kotov, Professor für chemische Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft an der University of Michigan, der die Forschung leitete.

Er ergänzt: »Keine andere strukturelle Batterie, über die berichtet wurde, ist in Bezug auf die Energiedichte mit den aktuellen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar. Wir haben unsere bisherige Version der strukturellen Zink-Luft-Batterien durch zehn verschiedene Maßnahmen verbessert und damit bei einzelnen Parametern eine Verbesserung um den Faktor 100 erreicht.« Die Kombination von Energiedichte und kostengünstigen Materialien bedeute, dass die Batterie bereits jetzt die Reichweite von Zustellrobotern verdoppeln könne, meinte er.

»Dies ist jedoch nicht die Grenze. Wir schätzen, dass Roboter 72-mal mehr Kapazität haben könnten, wenn ihr Außenhülle durch Zinkbatterien ersetzt würde, im Vergleich zu einer einzelnen Lithium-Ionen-Batterie«, sagte Mingqiang Wang, Erstautor und vor kurzem Gastforscher in Kotovs Labor.

»Die Batterien erfüllen gleich zwei Aufgaben«, ergänzte Ahmet Emre, ein Doktorand der Biomedizintechnik in Kotovs Labor. »Sie speichern Energie und schützen das Innenleben des Roboters. Dadurch bilden sie die Multifunktionalität des Fettgewebes nach, das in Lebewesen als Energiespeicher dient.«

Aufbau der neuen Zink-Luft-Batterie

Die neue Batterie beruht darauf, dass Hydroxid-Ionen zwischen einer Zinkelektrode und der Luftseite durch eine Elektrolytmembran geleitet werden. Diese Membran besteht zum Teil aus einem Geflecht von Aramid-Nanofasern – Fasern auf Kohlenstoffbasis, die sich in Kevlar-Westen finden – und einem neuen Polymergel auf Wasserbasis. Das Gel unterstützt den Austausch der Hydroxid-Ionen zwischen den Elektroden.

Die Batterie besteht aus preiswerten, reichlich vorhandenen und weitgehend ungiftigen Materialien und ist umweltfreundlicher als die derzeit verwendeten. Das Gel und die Aramid-Nanofasern entzünden sich nicht, wenn die Batterie beschädigt wird – anders als der brennbare Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien. Zudem lassen sich die Aramid-Nanofasern aus ausgedienten Körperpanzern wiederverwenden.

Um ihre Batterien vorzuführen, testeten die Forscher mit normal großen und miniaturisierten Spielzeugrobotern in Form eines Wurms und eines Skorpions. Das Team ersetzte deren ursprüngliche Batterien durch Zink-Luft-Zellen. Sie verdrahteten die Zellen mit den Antrieben und wickelten sie um die Außenflächen der gruseligen Krabbler.

University of Michigan, Nicholas Kotov, Batteries, Zinc-Air, Robots, Drones

Der Nachteil von Zinkbatterien ist, dass sie ihre hohe Kapazität für etwa 100 Zyklen beibehalten, statt der 500 oder mehr, die wir von den Lithium-Ionen-Batterien in unseren Smartphones erwarten. Das liegt daran, dass das Zinkmetall Nadeln ausbildet, die schließlich die Membran zwischen den Elektroden durchstechen. Das starke Geflecht aus Aramid-Nanofasern zwischen den Elektroden ist der Schlüssel zu der relativ langen Lebenszyklusdauer einer Zinkbatterie. Und dank der kostengünstigen und recycelbaren Materialien lassen sich die Batterien leicht wechseln.

Über die Vorteile der Chemie der Batterie hinaus, so Kotov, könnte das Design eine Verlagerung von einer einzelnen Batterie hin zu einer verteilten Energiespeicherung ermöglichen.

Die University of Michigan hat Patentschutz beantragt und sucht nach Partnern, um die Technologie zu vermarkten.

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