電路堆疊輕量級固態(tài)電池如何助力微型機器人飛起來(lái)

盡管它們是科幻電影和陰謀論的主要內容，但在現實(shí)生活中，被電池和電子設備壓得喘不過(guò)氣來(lái)的微型飛行微型機器人一直在努力走得很遠。但是，一種稱(chēng)為“飛行電池”拓撲結構的電路和輕型固態(tài)電池的新組合可以讓這些機器人真正起飛，有可能從一個(gè)重達毫克的系統為微型機器人供電數小時(shí)。

微型機器人可能是一項重要的技術(shù)，可以發(fā)現被埋在瓦礫中的人，或者在其他危險情況下偵察前方。但這是一項艱巨的工程挑戰，加州大學(xué)圣地亞哥分校 （University of California， San Diego） 的電氣和計算機工程教授帕特里克·梅西爾 （Patrick Mercier） 說(shuō)。Mercier 的學(xué)生 Zixiao Lin 上個(gè)月在 IEEE 國際固態(tài)電路會(huì )議 （ISSCC） 上介紹了這種新電路?！澳阌羞@些非常小的機器人，你希望它們在野外能持續盡可能長(cháng)的時(shí)間，”Mercier 說(shuō)?！白詈玫姆椒ㄊ鞘褂娩囯x子電池，因為它們具有最好的能量密度。但有一個(gè)基本問(wèn)題，即執行器需要的電壓比電池能夠提供的電壓高得多。

Mercier 解釋說(shuō)，鋰電池可以提供大約 4 伏特的電壓，但微型機器人的壓電致動(dòng)器需要數十到數百伏特的電壓。包括 Mercier 自己的團隊在內的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了升壓轉換器等電路來(lái)提高電壓。但是，由于它們需要相對較大的電感器或一堆電容器，因此它們會(huì )增加太多的質(zhì)量和體積，通常占用的空間與電池本身一樣多。

法國國家電子實(shí)驗室 CEA-Leti 開(kāi)發(fā)的一種新型固態(tài)電池提供了一種潛在的解決方案。這些電池是采用半導體加工技術(shù)制成的薄膜材料堆棧，包括鈷酸鋰和氮氧磷鋰，可以切割成微小的電池。一個(gè) 0.33 立方毫米、0.8 毫克的電池可以存儲 20 微安小時(shí)的電量，或每升約 60 安培小時(shí)。（鋰離子耳塞式電池可提供超過(guò) 100 Ah/L 的容量，但大約是其 1,000 倍。位于法國格勒諾布爾的 CEA-Leti 基于該技術(shù)的衍生公司 Inject Power 正準備在 2026 年底開(kāi)始批量生產(chǎn)。

動(dòng)態(tài)堆疊電池

由于固態(tài)電池可以切割成微小的電池，研究人員認為他們可以使用不需要電容器或電感器的電路來(lái)實(shí)現高電壓。相反，該電路會(huì )主動(dòng)重新排列許多微型電池之間的連接，將它們從并聯(lián)移動(dòng)到串行，然后再返回。

想象一下，一個(gè)微型無(wú)人機通過(guò)拍打連接到壓電致動(dòng)器的機翼來(lái)移動(dòng)。它的電路板上有十幾個(gè)固態(tài)微型電池。每個(gè)電池都是由四個(gè)晶體管組成的電路的一部分。這些充當開(kāi)關(guān)，可以動(dòng)態(tài)地改變與該電池鄰居的連接，使其要么是并聯(lián)的，因此它們共享相同的電壓，要么是串行的，因此它們的電壓被添加。

開(kāi)始時(shí)，所有電池都并聯(lián)，提供的電壓遠不足以觸發(fā)執行器。然后，UCSD 團隊構建的 2 平方毫米 IC 開(kāi)始打開(kāi)和關(guān)閉晶體管開(kāi)關(guān)。這將重新排列單元之間的連接，以便前兩個(gè)單元串行連接，然后是三個(gè)，然后是四個(gè)，依此類(lèi)推。在百分之幾秒內，電池全部串聯(lián)起來(lái)，電壓已經(jīng)向致動(dòng)器上堆積了大量的電荷，以至于它把微型機器人的翅膀折斷了。然后 IC 展開(kāi)該過(guò)程，使電池再次并聯(lián)，一次一個(gè)。

“飛電池”中的集成電路總面積為 2 平方毫米。帕特里克·梅西耶

絕熱充電

為什么不一次串聯(lián)每個(gè)電池，而不是通過(guò)這種斜坡上升和下降方案呢？一句話(huà)，效率。

只要電池序列化和并聯(lián)以足夠低的頻率完成，系統就會(huì )絕熱充電。也就是說(shuō)，它的功率損失被最小化。

但 Mercier 說(shuō)，這是執行器觸發(fā)后發(fā)生的事情，“真正的魔力就在這里”。電路中的壓電致動(dòng)器就像一個(gè)電容器，儲存能量?！熬拖衿?chē)中的再生制動(dòng)一樣，我們可以回收存儲在該執行器中的一些能量?！庇捎诿總€(gè)電池都未堆疊，因此剩余儲能系統的電壓低于執行器，因此一些電荷會(huì )流回電池中。

加州大學(xué)圣地亞哥分校團隊實(shí)際上測試了兩種固態(tài)微型電池——東京 TDK 的 1.5 伏陶瓷版本 （CeraCharge 1704-SSB） 和 CEA-Leti 的 4 V 定制設計。使用 1.6 克 TDK 電池時(shí)，電路達到 56.1 伏特，并提供每克 79 毫瓦的功率密度，但使用 0.014 克定制存儲時(shí)，最高電壓為 68 V，并表現出 4,500 mW/g 的功率密度。

Mercier 計劃與機器人合作伙伴一起測試該系統，同時(shí)他的團隊和 CEA-Leti 致力于改進(jìn)飛行電池系統的封裝、小型化和其他特性。需要工作的一個(gè)重要特性是微型電池的內阻?！疤魬鹪谟?，堆疊的越多，串聯(lián)電阻就越高，因此我們可以運行系統的頻率就越低，”他說(shuō)。

盡管如此，Mercier 似乎看好飛行電池讓微型機器人保持高空飛行的機會(huì )?！熬哂须姾苫謴秃蜔o(wú)被動(dòng)的絕熱充電：這是有助于增加飛行時(shí)間的兩個(gè)勝利?！?/p>