[科普中国]-不靠电池靠“血液”，这条仿生机器鱼有什么特别之处？

众所周知，电池包作为机器人的供能设备，嵌入机器人内部，会增加机器人的自重，降低整体能量密度（能量密度即为单位重量下保有的电池容量），且为机器人的整体设计徒增负担。除此之外，当代机器人的研发缺少生物体中存在的各器官功能交互特性，因此无法实现它们的高效性和自主性。受蓑鲉（狮子鱼）外型启发，科研人员研发了一款搭载碘化锌氧化还原液流电池的水生软体机器人。这款机器人的能量密度可达53 J g-1（焦耳每克），并可连续游动36.7个小时。再次加注电解液后，这条仿生鱼可再次游动。这条仿生机器鱼用的什么电池？了解这款软体机器人的工作原理，先让我们从碘化锌氧化还原液流电池说起。首先，下图（a）为电池组成部分，分别为最外部的硅胶皮肤、嵌镍、嵌不锈钢的石墨碳毡电极及电池中间的阳离子交换膜。其中埋入镍线的石墨碳毡做阳极，埋入三股不锈钢线的石墨碳毡做阴极（选用石墨碳毡做电极是为了实现机器人的柔韧性，在电极中嵌入金属线是为了提高导电性）。下面介绍电池内部反应原理，请见下图（b）电池放电时，电池阳极板上（埋入镍线的石墨碳毡）的金属锌被氧化，释放电子和二价锌离子；电子流经软体机器人电子器件，为控制器及泵供能，依靠泵送进而循环电解液。与此同时，二价锌离子经阳离子交换膜进入阴极一侧，三碘阴离子被还原为碘离子达到电荷平衡。泵送的电解液源源不断地补充，以维持电池区块内的三碘阴离子的浓度，以达到循环过程中能量密度的稳定发挥。这款软体机器人巧妙地把电池电解液作为机器鱼前进的泵送介质，电解液身兼复职，为机器人的轻量化设计另辟蹊径，并展示了一个多功能高能量密度的循环系统，实现了类似于生物体血液系统的液压传递、能量输送的特性。这被研发人员生动地比喻为“机器血液”，机器血液的研发也为未来机器人高能量密度、自主性、高效率和多功能的研发提供了新思路。既然这条仿生机器鱼完备了“血液系统”，它是不是就可以像真的鱼一样游得快，可趁人不注意時来个急转弯。这条鱼如何才能游得快，这和功率密度有关。首先，功率的大小取决于输出电压，特别是在大电流充放电下电池的输出电压水平。高倍率充放电性能越好，电池功率密度越高，加速游动、急转弯等动作才得以实现。工作电压及功率密度偏低是液流电池普遍存在的问题，这条仿生机器鱼36小时的游动寿命是在较慢的游动速度下获得的。游动速度仅为每分钟前进1.56倍身长（大概0.6米）。尽管研究人员已从搭建电池序列及提升电池有效面积的角度来最大化功率密度，但是机器鱼功率密度的提升仍然是未來工作的方向，包括空间最优化、电极结构优化、更换电极材料（由碳毡更换为碳纸）等。如何实现电池能量密度与功率密度的并存？锂离子电池，目前市场上运作最成功的的电池之一。对于锂离子电池纯电动汽车，消费者期待它既要跑得远又要跑得快。可以说，兼具高能量密度和高功率密度，是动力锂离子电池的终极命题。从单体电芯而言，同时达到高容量和高倍率特性，往往受到正极/电解液/负极电极材料之间本征传输特性的制约。例如锂电体系的本征载流子传导与输运行为取决于正负极材料的电导率、锂离子扩散系数、有机电解液电导率这几个主要因素。相对于开头提到的氧化还原液流电池，锂离子在正极材料和负极材料(层状结构)中的扩散系数普遍比前者中的速率常数低数个数量级。而且，有机电解液的离子电导率比水系二次电池电解液(强酸或者强碱)同样低几个数量级。所以说，锂离子电池不具备“快速充放电”的特性，即高功率性能。100C快速充电的钛酸锂电池（LTO）。倍率100C是什么意思？1C倍率是指电池可在1h的时间里充放出标定容量的电量，那么100C倍率是指电池可在1/100h的时间里充放出标定容量的电量。那么意味着一分钟不到就可以把车充满电，这正好迎合了消费者的需求。钛酸锂优异的功率特性与其晶体结构和扩散机制有关，但是，其能量密度很低。而且单位重量的钛酸锂要比常规负极价格高出数倍甚至数十倍。低性价比与低能量密度导致钛酸锂电池无法成为动力电池市场的主流。既然有机电解液的导电性差，我们可不可以换其他材料做电解液呢？或许有人会说，离子液体全部由离子组成，电导率高，高温性能好，几乎不可燃，安全高效，且电化学窗口宽泛，甚至可做高压电解液。对于这个提议的回答是肯定的。目前已有不少国家“973”、“863”项目在锂电池中引用离子液体，但也只是作为添加剂或共溶剂提高电池的安全性、耐高温性及循环性能。离子液体作为电解液独立使用，目前还需要等待电池正负极材料搭配离子液体的更广泛研究工作的完成。这些问题需要使用高精度设备实时在线检测电池内部的充放电过程才能搞清楚，离子液体在能源领域的产业化应用仍需要时间去检验。同样的，还有全固态电池，作为新一代动力电池的希望，全固态电池具有安全性好，寿命长，能量密度高，高电压稳定性的特点，它的产业化已在进程中。据《日本经济新闻》今年6月11日报道称，围绕被认为是纯电动汽车(EV)和物联网“IoT”普及的关键要素的“全固体电池”，日本众多厂商争相进行研发。着眼于2020年的普及期，日本厂商着力向量产全固态电池产业链相关技术建设课题发起挑战。燃料电池，能量密度与功率密度兼备的电池。跳出封闭系统的盒子，往开放式系统的方向看，这种电池是存在的。传统的电池结构无论如何都逃不脱正负极电解液，电池研发者无时无刻不在关注电池里面发生了什么，封闭系统中，任一部件的跳水性的性能衰减都会对电池的整体性能带来致命一击，甚至引发安全事故。兼具能量密度与功率密度的佼佼者，燃料电池的高能量和高功率特性正是由其独特的开放式工作原理决定的。其独特的异相电催化反应过程使得不管是氢的电化学氧化还是氧的电化学还原，都可以在铂/碳催化剂表面获得较高的交换电流密度。以丰田-未来型号（ToyotaMirai）为例，3分钟加满氢气，续航里程可达650km, 能量密度高于350瓦时每千克（Wh/Kg），功率密度高达2.0千瓦每千克（KW/Kg），相比之下，TeslaModelS的锂离子电池系统续航里程450km，能量密度237Wh/kg，功率密度0.28kW/Kg比ToyotaMirai低一个数量级。燃料电池虽然打破了“快充”的屏障，却带来了加燃料难的问题。因为电动汽车充电和电网的结合很容易，而燃料电池的加氢问题和基础设施建设难度远比建充电站要大得多。在日本本土，氢气供应站也处于数量有限，分布不均的状态，且最新数据显示，现有的氢气供应站中处于“休止中”状态的占四成。关于电池的能量密度与功率密度的博弈简单介绍到这里，无论在哪一种电池载体下，这场让动力汽车或是仿生机器人更强、更远、更快的“战役”从未停歇。作者 | 【中】杨欢 日本京都大学能源科学研究院能源基础科学专业博士审阅 | 林建 深圳比克动力电池研发副总裁编辑 | 王波文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国参考文献：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.