Así como los humanos y animales almacenan energía gracias a las reservas de grasa, una batería de zinc recargable integrada en la estructura de un robot podría proporcionarles mucha más energía, según investigadores de la Universidad de Michigan.
El enfoque para aumentar la capacidad será particularmente importante a medida que los robots se reduzcan a la microescala, en las que las baterías independientes actuales son demasiado grandes e ineficientes.
«Los diseños de robots están restringidos por la necesidad de baterías que a menudo ocupan el 20 por ciento o más del espacio disponible en un robot, o representan una proporción similar a su peso», afirmó el ingeniero Nicholas Kotov, quien dirigió la investigación.
Las aplicaciones para robots móviles están en auge, desde drones de reparto y máquinas que recogen bicicletas, hasta otros que atienden en hospitales o comercio.
A nivel micro, los investigadores están explorando robots que puedan autoensamblarse en dispositivos más grandes. Las baterías estructurales multifuncionales podrían liberar espacio y reducir el peso, pero hasta ahora solo complementarían la batería principal.
«Ninguna otra batería estructural es comparable, en términos de densidad de energía, a las baterías de litio avanzadas de última generación. Mejoramos nuestra versión anterior de baterías estructurales de zinc en 10 medidas diferentes, algunas de las cuales son 100 veces mejores, para que esto suceda «, afirmó Kotov.
La combinación de densidad de energía y materiales económicos significa que la batería podría duplicar la capacidad de los robots de entrega, aunque no tampoco el límite. «Estimamos que los robots podrían tener 72 veces más capacidad de energía si sus exteriores fueran reemplazados por baterías de zinc, en comparación con tener una sola batería de iones de litio», complementó Mingqiang Wang, del laboratorio de Kotov.
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, las fibras de carbono que se encuentran en los chalecos antibalas y un gel de polímero a base de agua. Este último ayuda a transportar los iones de hidróxido entre los electrodos.
Batería más segura y ecológica
Fabricada con materiales baratos, abundantes y en gran parte no tóxicos, la batería es más ecológica que las que se utilizan actualmente. Las nanofibras de gel y aramida no se incendiarán si la batería está dañada, a diferencia del electrolito inflamable de las baterías de iones de litio. Las nanofibras de aramida podrían reciclarse de chalecos antibalas en desuso.
Los investigadores experimentaron con robots de juguete miniaturizados y de tamaño regular en forma de gusano y escorpión. El equipo reemplazó las baterías originales con celdas de zinc-aire. Las conectaron a los motores y las envolvieron alrededor de los lados de los dispositivos.
«Las baterías que pueden hacer una doble función, almacenar carga y proteger los ‘órganos’ del robot, replican la multifuncionalidad de los tejidos grasos que sirven para almacenar energía en los seres vivos», explicó Ahmet Emre, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica en el laboratorio de Kotov.
La desventaja de las baterías de zinc es que mantienen una alta capacidad durante unos 100 ciclos, en lugar de los 500 o más que ofrecen 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 para el ciclo de vida relativamente largo de una batería de zinc. Y los materiales económicos y reciclables hacen que sean fáciles de reemplazar.
Más allá de las ventajas de la química de la batería, los investigadores afirman que el diseño podría permitir un cambio de una sola batería al almacenamiento distribuido de energía, utilizando el enfoque de la teoría de grafos desarrollado en U-M.
«No tenemos una sola bolsa de grasa, que sería voluminosa y requeriría una transferencia de energía muy costosa. El almacenamiento de energía distribuida, que es la forma biológica, es el camino a seguir para los dispositivos biomórficos altamente eficientes», precisó Kotov.
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