上海大学鲍垠桦课题组 Energy Storage Materials 研究论文：用于小型无绳机器人的嵌入式柔性结构电池

第一作者：刘冠中

通讯作者：鲍垠桦*，方岱宁*

单位：上海大学，北京理工大学

由于诸如环境监测、操纵和运输小型物体等工业应用的需求不断增加，轻质量、长续航的小型机器人的需求不断增长。因此，如何在质量、体积的限制下设计更高功能集成的结构组件具有重要的意义。这种多功能组件在生物系统中广泛存在，例如在人体中，脂肪不仅是一种用来储存能量的生物组织，而且还具有保护器官、维持温度和促进健康细胞功能等附加功能。在电池系统中，能够同时实现储能和承载功能的电池被叫做结构电池。然而，传统的结构电池难以实现大的变形和在动态环境下承载，这给柔性和可展开结构的机器人设计具身柔性能源带来了巨大的挑战。

近日，上海大学的鲍垠桦副教授与北京理工大学的方岱宁院士课题组合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Embodied, flexible, high-power-output, structural batteries for untethered, small-scale robots”的研究论文。该研究论文提出了一种新型，可高功率输出的嵌入式柔性结构电池。

论文首先将类肌腱柔性结构电池组装在四足机器人中，肌腱的柔性关节为电池的柔性连接段，而肌腱的刚性部分类似于电池中厚的储能段。这种巧妙设计的柔性结构电池结合了能量存储和柔性可承载的功能，可以支持四足机器人平稳行走。论文同时搭建了原位机电耦合测试平台用于实时动态观测不同弯曲变形下柔性结构电池的电化学性能。实验发现，类肌腱柔性结构电池在30圈充放电循环中（弯曲次数超过23000次）每圈容量衰减率0.28%，平均库伦效率99.42%。通过对不同厚度、不同面密度的极片的实验研究，表明该柔性结构电池优异的动态测试性能与电极厚度、面密度等参数关系不大，主要得益于其刚柔复合的结构设计。

论文还制作了一个基于三浦折纸的气动软驱动器，展示了储能与驱动器的结合。这种柔性结构电池能够完全贴合在软驱动器的表面，可以通过其自身的能源驱动气动装置来控制三浦折纸管的收缩和伸展，从而实现爬行机器人的线性和旋转运动。

对于静态可展开结构，论文在四轴飞行器中集成了可折叠的柔性结构电池。服役时，该电池可以扩展为十字形，代替原有的结构框架，可以提供足够的动力和支撑整体质量，提高整体的续航时间。同时，可折叠的设计也更利于飞行器的储存和运输。另一方面，该柔性结构电池采用叠片式卷绕工艺，相对于传统的卷绕电池，能够在10 C的高放电倍率下容量保持率为1 C放电的68.7%。

Embodied, flexible, high-power-output, structural batteries for untethered, small-scale robots

鲍垠桦，上海大学力学与工程科学学院副教授，北京大学固体力学博士，在国家自然科学基金青年基金，上海市启明星培育（扬帆专项）人才项目的支持下，从事异形及柔性锂离子电池的相关研究。在异形柔性电池的构型设计、实验表征、理论及数值模型、柔性电池材料的多功能应用上取得了一定的研究成果，在 Advanced Functional Materials，Energy Storage Material， Materials Today， ACS Energy Letters 等高水平学术期刊共发表 SCI 论文 20篇。以第一/通讯作者发表 SCI论文 12篇，申报发明专利 5 项（已授权 2 项）。曾获上海大学第二届十大学术进展提名奖。

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