行業新聞

2015年03月

微型電池將帶來綠色能源革命 市場化的潛在挑戰

【導讀】微型化在電池研發的方面是一件大事,人們一直在追求能夠儲存更多能量的電池,為汽車、建築和個人電子設備供電。

微型電池將帶來綠色能源革命

科學家們一直在尋找更加輕便高效的,如今已經已經取得重大進展:他們製作出一種小電池,由十億個納米孔,或者說是能產生電流的微孔組成。

攝影:ALEXANDER KOZEN,馬里蘭大學ANSLAB實驗室 撰文:Wendy Koch

  微型化在電池研發的方面是一件大事,人們一直在追求能夠儲存更多能量的電池,為汽車、建築和個人電子設備供電。

  直徑只有人類頭髮八萬分之一的納米電池將帶給人類光明的前景。它們將促進電動汽車和再生能源的發展。電動汽車一直苦於短暫的續航能力,而再生能源在無風和沒有日照的時候,則需要存儲的能量來維持運轉。

  而最新的突破:“納米孔”則是微型化所達到的極致。它是一種陶瓷薄片上的孔洞,還沒有一顆鹽粒大。它包含了電池產生電流必須的所有組件。十億個這樣的孔洞,以蜂巢狀排列在一起,和一張郵票差不多大。

  這種極小的電池不負眾望。據馬里蘭大學的研究者說,它充滿電只要12分鐘,可以反覆充電上千次。上周他們把這項研究發表在同行評審期刊《自然納米科技》上。

  “我們被它的性能震驚了。”研究的合著者、化學博士研究生Eleanor Gillette表示。她把這種快速充電的能力歸結為電流需要運動的距離很短。她認為納米級電池能夠使得製造商在有限的空間內集成進更多的電池。

  阿貢國家實驗室的聯合能源存儲研究中心主任George Crabtree說:“這看起來是一個重大進步。”他認為納米孔技術帶來了成倍的優勢。因為納米孔都是完全相同的,一旦研究者確定最佳尺寸,就可以保證穩定的結果,這將使大規模使用電網更有前途。

  Crabtree表示,這類電池,就像最近在納米技術方面的其他進展一樣,在十年前還是完全不可能的事情。儘管過去15年來,這個領域已經已經有了很大進步,但直到最近才剛剛在電池蓄能上得到應用。這為電池世界的變革打開了一道門。


微型電池將帶來綠色能源革命

這是顯微鏡中的畫面:幾百萬個納米孔擠在一個郵票大小的電池中。圖片:馬里蘭大學ANFLAB實驗室

推動電池技術更好的發展

  這項技術所蘊含的利益是巨大的。電動汽車和再生能源被譽為氣候變化的解決之道。它們需要價格更便宜、性能更出色的電池,才能夠獲得廣泛的應用。而公用事業也依賴於間歇性能源,風能和太陽能是其電力的主要來源,它們需要後備電力供應。

  因此,這項科技競賽在校園、創業公司積極展開,甚至連通用電氣、IBM和豐田這樣的巨頭企業也參与進來。它們要製造一種電池,能夠取得重大突破,而不是鋰電池那樣的漸進式提高。行業領袖在20世紀70年代就開發出了鋰電池,並在20年後將其市場化。

  部分研究者得到美國能源部提供的資金。他們努力開發和改進了幾種通過化學反應產生電力的電池。大多數電池都有三個基本組成部分:電解液提供電子,陽極釋放電子,而陰極接受電子。

  根據納米級的材料和結構,科學家試圖在分子級層面上確認最佳的尺寸。


例如,去年南加利福尼亞大學研究者研發出一種新型鋰離子電池,用多孔硅納米顆粒取代了傳統的石墨陽極。這個由周崇武(Chongwu Zhou)帶領的團隊表示,比起石墨材質電池,他們的電池可以存儲三倍多的電能,而且十分鐘內就能完成充電。

  馬里蘭大學納米中心的管理者、工程學教授Gary Rubloff表示:“納米化是獲得高能量之路。關於怎樣製造電池,納米級電池展示出了多種不同的替代方案。”

市場化的潛在挑戰

  然而,把這項研究商業化卻不容易,也許需要很長時間。目前納米級電池的很多材料或者組件都過於昂貴,只能作小型應用。

  “對於這個領域來說,開發這類電池是一項重大挑戰,而且存在很多問題,”來自伊利諾伊大學香檳分校的Paul Braun和Ralph Nuzzo在評價馬里蘭大學的研究成果時這樣寫道。

  而且,石油和天然氣的低價也消減了對可再生能源的需求,如風能和太陽能,它們都需要電網級的備用電源。
本文來源: 國家地理中文網