喝海水的電池能為水下機器人供電

航空無人機的長程運行幫助他們在天空中執行重要任務。現在，MIT spinout Open Water Power(OWP)致力於極大提升無人水下機器人(UUVs)的運行里程，幫助其更好地實現各種水下任務。

最近應科技公司L3 Technologies的要求，OWP研發了一種新型鋁-水供能系統，更安全更持久，使UUVs的行駛里程增加到原始鋰離子電池的十倍。

credit: 煎蛋畫師BC

這一供能系統有廣泛的應用，包括幫助UUVs潛入更深更久，到海洋的深淵中探索船隻殘骸，建立海床地圖和進行研究等。還可被用於海上長程石油勘探和各種軍事應用。

由於有這麼多應用需求，OWP目前正努力進一步提升供能系統，不僅是為了UUVs，也是為了各種海床監控系統、聲吶浮標系統以及其他海上研究設備。

OWP目前正與美國海軍合作，替換用於檢測敵方潛艇的聲學感測器的電池。本夏季，該項目將於Riptide Autonomous Solutions合作使用UUVs進行水下調查。目前Riptide的UUVs一次只能行駛100海里，他們希望OWP能將其增加至1000海里。
聯合發明者Ian Salmon McKay與機械工程研究生Thomas Milnes博士共同創立了OWP，說道：「人們在水下進行的一切事務都將大為容易。我們已經準備去征服大海了。」

喝海水供電

大部分UUVs使用鋰離子電池，但這些電池有幾個問題。這種電池容易著火，所以UUV用的電池一般不能進行空運。另外，其能量密度也有限，意味著需要昂貴的服務船隻伴隨UUVs到大海去，必要時對電池進行充電。並且這種電池需要被包裝在昂貴的金屬壓力容器內。簡言之，這種電池較為短命而且不安全。

相對的，OWP的供電系統更安全、廉價並且長壽。該系統由鋁合金、結合其他元素(主要是鎳)的陰極合金和兩個電極之間的鹼性電解液組成。

當裝備有該供能系統的UUV被放入海洋中時，海水就會進入電池中，在陰極被分解為氫氧根陰離子和氫氣。氫氧根陰離子與鋁陽極相互作用形成氫氧化鋁並釋放電子。這些電子返回到陰極，進入電路中開始新的循環。釋放的氫氧化鋁和氫氣都是無害廢料。
只有在充滿水時這些組件才會激活。如果鋁陽極腐蝕了，就能以低成本進行替換。

McKay說道：「把這種供能系統想為一種水下引擎，水就是推動化學反應的氧化劑，替代汽車引擎中的空氣。我們的供能系統能喝海水並拋棄廢產物，但相比地面上的那種引擎，這裡的廢料並不有害。」

有了這個基於鋁的供能系統，UUVs就能從海岸邊發動，無需服務船隻。例如在石油勘探中，目前被用於探索墨西哥灣的UUVs只能覆蓋少部分管線。而OWP功能的UUVs能探索數百英里並返回，覆蓋所有可用的管線。

敲定設計

OWP技術源於共同創立者的附帶項目，經歷了2個MIT課程和一個實驗室的修改。2011年，McKay參與了MIT機械工程教授Douglas Hart講授的2.013/2.014 (工程系統設計/研發)。Milnes是Viztu科技公司的聯合創始人，是Hart的助教。

這個課程負責研發一種UUVs的替代供能源。McKay賭上了一種能量緻密但富有挑戰性的元素：鋁。鋁電池的一個主要挑戰是某些化學問題使其難以向電路中貢獻電子。此外，反應的產物氫氧化鋁會附著在電極表面，阻止進一步的反應。在材料科學教授Yang Shao-Horn的10.625 (電化學能量轉換和存儲)課上，McKay通過製造富含鎵的合金鋁陽極解決了第一個挑戰，能夠向電路中貢獻電子，但會很快被腐蝕。

Milnes看到了一些潛力，於是加入了McKay的工作中，進一步研究電池。兩人將研究轉移到了Gail E. Kendall機械工程教授Evelyn Wang的實驗室。在那裡，他們開始研究能禁止寄生性腐蝕過程並阻止氫氧化鋁層在陽極上形成的電解液和合金材料。

2013年公司在Greentown Labs成立工作室，進一步精鍊了供能系統的設計。今天，這一功能系統使用泵循環電解液，鏟起不需要的陽極上的氫氧化鋁，傾倒入定製沉澱阱。如果飽和了，就將沉澱阱和廢料拋棄，自動換上一個新的。電解液會阻止海洋有機體在供能系統中生長。

目前OWP的首席科學官McKay稱這一初創產業的成功大部分歸功於MIT的創新氛圍，很多教授都樂於提供技術和創業建議，使他們能夠從事業餘項目。

McKay說道：「就像一個村莊。這些課程和實驗室就是想法成形之地。MIT人出於科研目的從事科學性極強的研究，但每個人也敏銳地意識到將技術推向市場的可能性。人們經常進行奇妙的『如果這樣會怎樣』的談話，在任何時候我可能都有醞釀程度不同的三到四個創業點子，我的朋友也是如此。這是一個鼓勵友好交換想法的環境，鼓勵人們有想法地從事附屬項目。」

原文是MIT新聞的再發表

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Rob Matheson

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！