“超級電池”：榴蓮電池充電30秒、鉆石電池體積小超長壽命！

時間:2020-08-03 11:57來源:新浪科技 作者: 葉傾城
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       據(jù)國外媒體報道，手機等電子設備的鋰電池會隨著時間推移而老化，鋰電池降解會產生巨大的環(huán)境成本，目前有沒有更好的方式儲存電能呢？
 
　　手機等便攜式電子設備的廣泛應用是當前時代特征之一，人們可在墻壁上插上手機電源，然后逐漸消耗這些存儲的電能。而鋰電池是手機的核心部件，它改變了傳統(tǒng)儲存和攜帶電能的能力，同時對我們的電子設備產生革命性變化。
 
　　鋰電池的發(fā)展歷程
 
　　1991年，日本索尼公司首次將鋰電池實現(xiàn)商業(yè)化，當時該公司正在積極尋求解決手持攝像機電池壽命短暫的問題，目前鋰電池已推廣應用至許多產品，例如：智能手機、筆記本電腦、電動牙刷和手持吸塵器。2019年底，發(fā)明鋰電池的三位科學家因該項革命性技術獲得了諾貝爾化學獎。
隨著越來越多的電動汽車出現(xiàn)在道路上，人類對更持久、電量更大電池的需求越來越大。
 
　　然而，現(xiàn)代人類的生活對鋰電池的需求只會增加，電動汽車依靠鋰離子電池來替代當前汽車使用的化石燃料，隨著可再生能源在全球電力供應中所占比重越來越大，將需要更多的電池組儲存電能，便于無風或者無太陽照射時使用。據(jù)悉，全球每年售出超過70億塊鋰離子電池，預計到2027年，將超過150億塊。

       但是隨著手機逐漸老化，電量也越來越少，我們知道鋰離子電池也存在局限性。隨著時間的推移，電池充電能力會下降，這意味著其儲存電能也會減少。同時，在極熱或者極冷的天氣中，鋰電池的表現(xiàn)也會下降，此外，人們對鋰離子電池的安全性和可持續(xù)性也存在擔憂，在某些特定條件下，鋰離子電池容易起火、發(fā)生爆炸。此外，開采鋰離子電池所需的金屬材料也會帶來高昂的社會和環(huán)境成本。
 
　　這促使世界各地的科學家嘗試研發(fā)新型電池來克服這些問題，他們希望利用一些新型材料，其中包括：鉆石、臭氣熏天的水果等，找到為未來技術提供動力的新方法。
 
　　鋰離子電池的工作原理是使帶電的鋰粒子（離子）穿過中間的液體電解質，使電流從一端移動到另一端，鋰離子電池的最大優(yōu)勢在于“能量密度”——電池在其體積下所能容納的最大能量，這也使得鋰離子電池成為市場上可售電池中價格最高的，與其他電池技術相比，鋰離子電池還可提供較高電壓。
 
　　本質上電池是由3個關鍵部件組成——負極、正極，以及正負極之間的電解質。電極的作用在正極和負極之間切換，這將決定電池處于充電還是放電。在鋰離子電池中，負極通常是由一種金屬氧化物制成，該氧化物包括另一種金屬，充電時，鋰離子和電子從負極移動至正極，電能將作為電化學勢能“存儲起來”。這是通過電解質中一系列化學反應發(fā)生的，該化學反應是由充電電路中流動的電能驅動的，電池在使用過程中，鋰離子通過電解液以相反的方向從正極流向負極，而電子則通過安裝電池的電子設備的電路系統(tǒng)，為電子設備提供動能。
 
　　新型材料替代鋰離子電池是必然趨勢
 
　　近年來，研究人員對電池正負極材料的改進有助于提高鋰離子電池容量和能量密度，但當前最需要將鋰離子電池成本降低。
 
　　我們希望未來幾年部分電子隨身設備的電池功能有所提高，這將改善人們的生活質量。英國牛津大學材料科學家莫羅·帕斯塔稱，35年前化學技術發(fā)展已處于停滯不前的狀態(tài)。據(jù)悉，帕斯塔是牛津大學法拉第研究所的項目負責人，他負責研發(fā)新一代鋰離子電池技術。他的目標是提高鋰離子電池的能量密度，同時提高其工作效率，這樣電池就不會因為反復充電和放電而降低功能性。
 
　　為了做到這一點，帕斯塔致力于使用陶瓷制成的固體材料來替代鋰離子電池中極易燃的電解質液體，使用固體可以降低電池短路或者不穩(wěn)定情況下電解液燃燒的風險。2017年，三星手機出現(xiàn)一系列電池故障起火事件之后，立即召開250萬部Galaxy Note 7s手機，采用固體替代傳統(tǒng)電解液對于未來手機安全性至關重要，因為大多數(shù)便攜式電子產品中的聚合物凝膠電解質是易燃的。
 
　　這種固態(tài)電池也可以使用致密的金屬鋰代替石墨正極，從而大幅增加能量存儲，這可能對未來電動汽車產生深遠影響。
 
　　目前，每輛電動汽車的電量相當于數(shù)千塊iPhone手機電池，專家分析稱，未來幾年電動汽車將逐漸取代多數(shù)國家的化石燃料汽車，向固態(tài)電池的革命性轉變意味著充電續(xù)航時間更長。
 
　　我們希望電池在未來幾年廣泛應用于電氣設備和便攜式電子設備，那么，我們是否應該尋找鋰電池的替代品來減輕它對環(huán)境的影響呢？
 
       世界上大部分的鋰都是從南美洲大型鹽沼中開采出來的，但是這個過程需要大量水，對環(huán)境構成一定破壞和污染。世界上大部分的鋰都是從南美洲大型鹽沼中開采出來的，但是這個過程需要大量水，對環(huán)境構成一定破壞和污染。
　　  
       安第斯山脈的“鋰三角區(qū)”——包括阿根廷、玻利維亞和智利的部分地區(qū)，這里蘊藏著世界50%以上的鋰金屬自然資源，但是從鹽堿地提取鋰需要水，并且是大量的水。據(jù)悉，在智利阿塔卡馬鹽沼地區(qū)，開采鋰金屬的過程中，每提取900公斤鋰金屬，大約需要使用100萬升水。其間涉及將富含金屬的鹽逐漸溶解在水中，過濾然后蒸發(fā)，直到提取純鋰鹽。然而，智利環(huán)保機構警告稱，該地區(qū)的鋰、銅金屬開采消耗的水資源遠大于自然降水量。
 
　　為了解決這個問題，德國卡爾斯魯厄理工學院研究人員正在研究如何在電池正極使用不同金屬，例如：鈣或者鎂。鈣是地殼中含量第五大元素，不太可能像鋰那樣出現(xiàn)供應問題，但利鈣改善電池性能的研究仍處于起步階段。鎂也顯示出令人鼓舞的初步成效，特別是在能量密度方面，并且有很好的商業(yè)前景規(guī)劃。
 
　　近年來，一些科學家正在積極尋找更容易獲得的材料代替鋰金屬，美國馬里蘭大學材料創(chuàng)新中心主任胡良兵（音譯）使用多孔木片作為電極，制造了一種電池，金屬離子在里面反應產生電荷。木材存量豐富，成本低，重量輕，在電池應用中顯示出高性能潛力。目前，經(jīng)過多年研制的最新電池可使用木材存儲電能，其中包括木材纖維上涂錫，由于木材曾作為木本植物能夠滲透傳遞養(yǎng)分，因此木材制成的電極具有存儲金屬離子的能力，不會像鋰離子電池那樣出現(xiàn)膨脹或者收縮的危險。
 
　　“剛果有一個普遍現(xiàn)象，幾乎每個礦工都是帶著孩子去挖鋰礦。”
 
　　雖然胡良兵研究團隊預測稱木質電池未來可用于便攜式電子設備以及大規(guī)模能源存儲，但當前此項技術還無法對筆記本電腦進行充電，仍在實驗室進行測試驗證。目前，木質電池充電速度相對較快，一臺配備木質電池的電子設備經(jīng)過100次充電，僅能維持初容電容量的61%。
 
　　目前，應用于電池的木質材料寬度和長度僅幾厘米，但未來可將電池堆疊或者連接在一起，實現(xiàn)更大規(guī)模的應用，這將最終用于家庭或者其他建筑的能源存儲。
如果不妥善處理，電池中的化學物質和重金屬會在腐蝕過程中泄漏到自然環(huán)境中。
 
　　事實上，鋰并非現(xiàn)代電池唯一使用的金屬，大多數(shù)電池還在負極使用鈷和鋰，但是鈷礦開采會產生有毒物質，對礦區(qū)附近居民構成健康威脅，并嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。目前非洲部分國家使用童工開采鈷礦，尤其是剛果民主共和國，這個國家擁有世界50%以上的鈷礦資源。
 
　　“剛果有一個普遍現(xiàn)象，幾乎每個礦工都是帶著孩子去挖鋰礦。”美國德州農工大學化學工程師喬蒂·魯特肯浩斯說。該現(xiàn)象激發(fā)她利用蛋白質開發(fā)“血液電池”的替代品，蛋白質是生物體制造并使用的復雜分子，電池正極一般是由石墨制成，而負極則是由含有鈷等元素的金屬氧化物制成，如果這兩種活性電極都能用有機材料替代，就意味著未來不再需要大量開采鈷，用于制造電池。
 
　　目前，每年出售的15億部鋰離子電池智能手機中，僅有大約5%手機的鋰離子電池被回收。
 
　　據(jù)悉，喬蒂與同事凱倫·伍利合作開發(fā)蛋白質電池，這是世界上首個在酸液中自行降解的電池，這意味著它很容易分解并再次使用。
 
　　雖然蛋白質電池還處于概念驗證階段，還無法與鋰離子電池產生競爭，蛋白質電池在報廢之前，可循環(huán)充電50次，提供1.5伏電源，但這是一個令人興奮的設計，證實未來新型電池將具有可持續(xù)性應用。
 
　　超級水果電池：榴蓮電池充電僅需30秒
 
　　目前，一支創(chuàng)新團隊不僅找到電池提供動力新方法，還能解決食物浪費的問題。澳大利亞悉尼大學化學工程師文森特·戈梅斯和拉博納·沙布南正在將世界上最臭的水果榴蓮和最大的水果菠蘿蜜的廢料變成超級電容器，能夠在短短幾分鐘內對手機、平板電腦和筆記本電腦充電。
 
　    “我的妻子受不了這種惡臭氣味，她在冰箱里將榴蓮放一晚上就無法忍受，隨后將殘留的榴蓮拿出來。”戈梅斯打趣道。
 
　　超級電容器是儲存能量的另一種方式，它們就像蓄水池一樣，能夠快速充電，然后在爆炸過程中釋放能量，它們往往是由石墨烯等昂貴材料制成的。但是戈梅斯的研究團隊已經(jīng)將榴蓮和菠蘿蜜中不能食用的物質變成了碳氣凝膠——多孔超輕固體結構，其具特殊的自然能量存儲特性。
榴蓮以其難聞的氣味而聞名，但它可以成為新一代超級電容器的材料，“榴蓮電池”充電僅需30秒。
　　
       加熱榴蓮或者菠蘿蜜，冷凍干燥處理，再將水果中不能食用的海綿核心結構在烤箱1500攝氏度以上高溫烘烤，最終這些黑色、高多孔、超輕結構可制成低成本超級電容器的電極。
 
　　超級電容器充電僅需30秒，并應用于諸多電器設備。沙布南說：“能在不到1分鐘內對手機充電是不可思議的事情！我們的目標是使用這些可持續(xù)性超級電容器存儲可再生能源的電能，供汽車和家庭使用。”
 
　　此外，使用榴蓮、菠蘿蜜作為超級電容器還具有很好的環(huán)保用途，由于該水果氣味特殊，全球超過70%以上的榴蓮通常被丟棄。2018年，榴蓮氣味曾導致印度尼西亞一架航班客機暫時停飛；2019年，澳大利亞堪培拉大學圖書館因出現(xiàn)吃剩的榴蓮，而進行了人群疏散。在這項研究最初階段，戈梅斯的妻子也非常厭惡榴蓮的惡臭氣味，榴蓮在冰箱中放了一晚上，就被清除丟棄。
 
　    其他類型的植物廢料未來也可作為電器設備供電材料，俄羅斯莫斯科國立科技大學物理化學家米哈伊爾·阿斯塔霍夫將豬草轉化為一種可用于手機充電的超級電容器原材料，據(jù)悉，在日常生活中豬草并沒有太大的利用價值，它含有使人體皮膚起泡的有毒液體。
 
　　人造鉆石電池：體積小，超長使用壽命！
 
　　雖然克服鋰離子電池環(huán)保問題是最終可以解決的，但是一些專家正在深入研究，試圖突破其他材料的局限性。英國布里斯托大學材料科學家湯姆·斯科特認為，下個世紀鋰離子電池仍然占據(jù)電池主流地位，但在極端環(huán)境下會采用一些特殊儲存能源的材料。
 
　　近年來，斯科特和研究同事一直致力于研制鉆石電池，通過種植含有放射性碳-14的人造鉆石，他們可以制造出“貝塔電流電池（betavoltaic batteries）”，它可以產生恒定電流，并能持續(xù)使用幾千年時間。鎖定在人造鉆石晶格內的放射性同位素在核衰變時會釋放超高能量電子。通過人造鉆石可產生電子，用于制造電流。他們強調稱，在鉆石電池的外部層面，其輻射指數(shù)保持在安全等級之內。
 
　　現(xiàn)在該研究團隊已制造一個“鉆石電池”原型，他們將人造鉆石放置在同位素鎳-63產生的放射場中，觸發(fā)電子穿過鉆石。目前他們正在研制如何在核電站從石墨塊中提取碳-14，斯科特和同事希望將這些核廢料轉化為使用壽命較長的電池。
 
　　斯科特同事索菲·奧斯伯恩說：“長期以來，我們一直在收集核廢料，現(xiàn)在我們不再談論長期儲存的問題，而是將它們用于發(fā)電。”
 
　　雖然像鋰離子電池這樣的化學電池不適用于高溫環(huán)境，而鉆石電池能挑戰(zhàn)一些極端環(huán)境，具有一定的優(yōu)勢，例如：應用于空間環(huán)境、海洋底部、火山頂部等，它將成為保障衛(wèi)星電源和傳感器正常運行的最佳電池。
為衛(wèi)星或國際空間站更換電池不是一件容易的事，因此更持久的儲能電池將是一個優(yōu)勢，未來“人造鉆石”電池將有廣闊的應用領域。
 
　   “人造鉆石電池另一大優(yōu)勢是體積很小，目前研究人員已制造出1.8伏的鉆石電池，它類似于一塊AA電池，盡管其電流要低很多。從技術上講，人造鉆石電池是可以充電的，但需要在反應堆堆芯中放置幾個小時才能達到額定功率，雖然放射性物質衰變時會產生穩(wěn)定電流，這意味著它們能持續(xù)使用很長一段時間，碳的半衰期為5730年。”
 
　　盡管這種新型電池是由“鉆石”制成，但它們的成本并不貴，斯科特說：“你會驚訝地發(fā)現(xiàn)人造鉆石價格很便宜。”
 
　　他認為，未來10-20年，我們甚至可以看到超長使用壽命的鉆石電池，它們可作為煙霧報警器或者電視遙控器的電源，也可能應用于助聽器或者心臟起搏器等醫(yī)療設備。未來我們可能不用在半夜更換煙霧報警器失效電池感到痛苦了。
 
(責任編輯：子蕊)
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