鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：603次 | 2021年11月02日
王中林的納米電池究竟是個(gè)啥？
首先要說(shuō)明一個(gè)事，王中林跟王中磊和王中軍沒(méi)有關(guān)系。雖然王中林比華誼兄弟兩個(gè)人加在一塊兒還要帥，但華誼兄弟的名氣比王中林大的多，而王中林所做的事情，卻比華誼兄弟有意思也有意義的多。
當(dāng)然要不了多長(zhǎng)時(shí)間，王中林可能就要比王中磊和王中軍加在一塊兒都有名了，假如他能夠獲得諾貝爾獎(jiǎng)的話。起碼現(xiàn)在，湯森路透已經(jīng)把他評(píng)為了今年諾貝爾物理獎(jiǎng)的大熱門(mén)。
九月二十四日，湯森路透集團(tuán)（THOMSONREUTERS）在美國(guó)費(fèi)城公布了2015年度引文桂冠獎(jiǎng)（CitationLaureates）獲獎(jiǎng)名單。我國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家，佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學(xué)領(lǐng)域獲獎(jiǎng)人之一。
眾所周知，湯森路透的引文桂冠獎(jiǎng)一直被看作是諾貝爾獎(jiǎng)的風(fēng)向標(biāo)，這一獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得者，往往就是諾貝爾獎(jiǎng)的大熱門(mén)，當(dāng)然這是從數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，并為考慮諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)各位委員們個(gè)人的喜好因素。
根據(jù)湯森路透的表述，王中林院士此次獲獎(jiǎng)，是由于其在一維氧化物納米結(jié)構(gòu)，尤其是氧化鋅（ZnO）納米帶和納米線的制備、表征和基本物理性能理解等方面做出的原創(chuàng)性重大貢獻(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了ZnO納米材料在能源、電子、光電子以及生物等領(lǐng)域的全新應(yīng)用，由此奠定了其在ZnO納米材料領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊地位。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
他不僅發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)，研制出世界上首個(gè)自供電納米系統(tǒng)，構(gòu)建了一種全新的、完全由環(huán)境能源支持的微納電子器件工作模式，并提出了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)發(fā)展路線圖。
自供電納米系統(tǒng)的發(fā)明，解決了制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的微電源問(wèn)題，目前已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。他還首次提出了壓電（光）電子學(xué)效應(yīng)，對(duì)納米機(jī)器人、人-機(jī)界面、納米傳感器、醫(yī)學(xué)診斷及光伏技術(shù)的發(fā)展具有里程碑意義。
可以說(shuō)是物聯(lián)網(wǎng)的大趨勢(shì)，讓王中林發(fā)明的納米電池有了用武之地，也讓湯森路透把他評(píng)為諾貝爾獎(jiǎng)的熱門(mén)候選人。因?yàn)楦鶕?jù)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選的傳統(tǒng)，一種新的理論要得到證實(shí)，一種新的技術(shù)要得到應(yīng)用，才會(huì)給這種成果頒獎(jiǎng)。
在技術(shù)領(lǐng)域，從過(guò)去幾年的獲獎(jiǎng)成果就看的出來(lái)。巨磁阻的發(fā)明就因?yàn)橛脖P(pán)的普及而獲獎(jiǎng)，CCD的發(fā)明就因?yàn)閿?shù)碼相機(jī)的普及而獲獎(jiǎng)，藍(lán)光LED則因?yàn)楦淖兞耸澜绲恼彰鞣绞蕉@獎(jiǎng)。
那么納米發(fā)電機(jī)是什么東西，是如何發(fā)揮用途。我們?cè)?007年就曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一篇文章介紹他的發(fā)明。當(dāng)時(shí)我給他在佐治亞理工的發(fā)郵件，很快就收到了詳細(xì)的回復(fù)，因?yàn)橛行┬g(shù)語(yǔ)看不懂，后來(lái)又follow-up了一堆問(wèn)題，他對(duì)此也是不厭其煩。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
有關(guān)當(dāng)時(shí)他的發(fā)明，我們還請(qǐng)納米技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者，哈佛大學(xué)化學(xué)系教授CharlesM.Lieber作個(gè)評(píng)價(jià)，當(dāng)時(shí)他就說(shuō)，王教授的工作可以被看作是他真正的“tourdeforce（代表作）”，這是對(duì)一個(gè)人非常高的評(píng)價(jià)。Lieber說(shuō)，王教授已經(jīng)是利用納米器械進(jìn)行動(dòng)能-電能轉(zhuǎn)化的先行者，由于他最新的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了直流和持續(xù)的輸出而顯得非常重要。
下面就是當(dāng)時(shí)的那篇文章。還有一個(gè)有意思的細(xì)節(jié)，當(dāng)時(shí)我們?cè)?jīng)寫(xiě)《誰(shuí)的魯能》的李其諺去發(fā)改委采訪，送給采訪對(duì)象這本雜志，看到這篇文章，采訪對(duì)象就對(duì)下屬說(shuō)，這樣的技術(shù)，你們?cè)趺淳蜎](méi)看到？
顛覆電池
空氣或水的流動(dòng)，引擎、空調(diào)的噪音，人的行走、呼吸、心跳或是血液流動(dòng)，都有可能出現(xiàn)電能？——這在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，也許并非夢(mèng)想
這并非天方夜譚：只要存在運(yùn)動(dòng)——不管是聲音的振動(dòng)，還是血液的流動(dòng)，甚至人的行走——在不久的將來(lái)，或許都能被轉(zhuǎn)化成電能。
2007年四月六日出版的美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志上，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、我國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任王中林，正式向外界展示了由超聲波驅(qū)動(dòng)的直流納米發(fā)電機(jī)。
實(shí)際上，早在2006年四月十一日，一向?qū)π路椒?、新理論十分熱衷的《科學(xué)》雜志，就報(bào)道了王所在的小組，首次在納米（十億分之一米）尺度范圍內(nèi)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的研究成果。
作為世界上最小的發(fā)電機(jī)，其研制的納米發(fā)電機(jī)巧妙地利用了氧化鋅納米線的半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)：
他們用導(dǎo)電的原子力顯微鏡探針針尖，去彎曲豎直的氧化鋅納米線，由于壓電效應(yīng)，被彎曲的納米線表面上就會(huì)出現(xiàn)反極性的極化電荷；而由于氧化鋅本身具備半導(dǎo)體性質(zhì)，所以這些的電荷會(huì)被累積儲(chǔ)存在納米線上。然后，再用導(dǎo)電的探針作為電極來(lái)這些接觸納米線，這套裝置就可以向外輸出電能。
據(jù)測(cè)算，這種納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率可以達(dá)到17%-30%。要了解，現(xiàn)在最好的太陽(yáng)能電池的實(shí)際發(fā)電效率也僅在20%上下。
然而，要繼續(xù)推進(jìn)這項(xiàng)研究，一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題，就是如何擺脫對(duì)顯微鏡探針的依賴，即用其他方式讓納米線發(fā)生彎曲，從而出現(xiàn)電能。比如，假如能夠通過(guò)聲波、超聲波或水壓能來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就意味著可以從周?chē)h(huán)境中獲得電能，從而出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的動(dòng)力源。
幾乎整整一年之后，王中林終于推出了改進(jìn)版的納米發(fā)電機(jī)-它不要探針的幫助，超聲波就可以完成讓納米線發(fā)生振動(dòng)的“使命”：
他們讓納米線在電極板上垂直生長(zhǎng)，而與上面的電極的接觸面則被設(shè)計(jì)成了鋸齒狀，并且覆蓋著金屬鉑。由于納米線極其纖細(xì)，一旦有外界環(huán)境震動(dòng)，無(wú)論是超聲波，還是人的行走、潮汐的運(yùn)動(dòng)，甚至心臟跳動(dòng)（假如被植入人體內(nèi)部的話），納米線受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的動(dòng)能傳導(dǎo)的影響，自身就會(huì)出現(xiàn)微小的共振或者說(shuō)擺動(dòng)、變形，從而在表面積累起電荷。由于納米線與上面的電極之間的空隙非常小，形狀又是鋸齒形的，加上電極本身也會(huì)出現(xiàn)上下振動(dòng)，所以在納米線擺動(dòng)過(guò)程中，很容易就會(huì)碰到上面的鉑電極，從而把電流輸送出來(lái)。
根據(jù)最新的設(shè)計(jì)，在頻率為41千赫茲的超聲波用途下，分布在2平方毫米面積的氧化鋁基片上的500根納米線的陣列，不僅可以輸出強(qiáng)度約一納安（nA）的持續(xù)電流，更可以將電流輸出保持一個(gè)多小時(shí)而沒(méi)有任何衰減。
他在接受本刊記者采訪時(shí)表示，這一研究的突破之處，還在于通過(guò)將大量的納米線集中在鋸齒狀的電極板中間，讓納米線能夠同時(shí)、持續(xù)和獨(dú)立地吸收外界環(huán)境中的機(jī)械能，并第一次實(shí)現(xiàn)了持續(xù)性的直流輸出，這也給植入人體、遙感的納米器械和納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自給帶來(lái)了新的曙光。
近年來(lái)，尺寸微小、功耗低、反應(yīng)靈敏的納米器件和納米機(jī)器人，一直是納米學(xué)術(shù)界的前沿，因?yàn)樗梢酝瓿晌⒂^醫(yī)療以及遙感等普通人力難以企及的使命。但有關(guān)全球眾多的研究者而言，最大的問(wèn)題是：不管納米器械做到多小，仍然不得不依賴龐大的外接電源。更不用說(shuō)由于常規(guī)電池多含有毒性物質(zhì)，使得一些醫(yī)用納米微型設(shè)備無(wú)法植入人體。
假如不能同步實(shí)現(xiàn)器件和電源的小型化，讓納米器械進(jìn)入微觀世界，也許只能是紙上談兵?，F(xiàn)在，隨著納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，這一前景重新變得光明起來(lái)。
哈佛大學(xué)化學(xué)系教授查爾斯·萊博（CharlesLieber）指出，這一發(fā)明，為如何給納米器件供應(yīng)電力這一關(guān)鍵問(wèn)題，“提出了解決方法”。
電池末日？
雖然到目前為止，水能、風(fēng)能乃至潮汐能的大規(guī)模利用都已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但如何將動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化成電能，并驅(qū)動(dòng)便攜設(shè)備，卻一直是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
歷史最為悠久、應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)電池，是利用電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能加以儲(chǔ)存，并在使用時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。從伏打電池到現(xiàn)在，化學(xué)電池經(jīng)過(guò)了十幾代的更新，先后出現(xiàn)了鋅錳電池、鉛酸電池、鎳鎘、鐵鎳、銀鋅、銀鎘、鋰離子電池、燃料動(dòng)力鋰電池等不同種類(lèi)，它們利用不同金屬、不同電解液的電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化。
“化學(xué)電池經(jīng)過(guò)200多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，性能提高了很多。加上其體積小、攜帶方便，通過(guò)化學(xué)的方式儲(chǔ)存電能還是最常用的方式?！蔽覈?guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)王敬忠說(shuō)。
不過(guò)，有關(guān)大多數(shù)化學(xué)電池來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)和回收過(guò)程中所造成的重金屬污染，一直是無(wú)法克服的難題。
除了化學(xué)電池，物理電池包括了利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)能電池、利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的溫差電池，以及將原子核放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的核電池等。但至少就目前而言，有關(guān)物理電池來(lái)說(shuō)，效率和成本還是兩大瓶頸。
采用對(duì)人體無(wú)害且價(jià)格相對(duì)低廉的氧化鋅作為材料的納米發(fā)電機(jī)，顯然是開(kāi)啟了一個(gè)全新的“窗戶”。
在王中林看來(lái)，空氣或水的流動(dòng)、引擎的轉(zhuǎn)動(dòng)、空調(diào)或其他機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)等引起的各種頻率的噪音、人行走時(shí)肌肉伸縮能或腳對(duì)地的壓縮，甚至在人體內(nèi)由于呼吸、心跳或是血液流動(dòng)帶來(lái)的體內(nèi)某處壓力的細(xì)微變化，將來(lái)都有可能帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電能。
有數(shù)據(jù)顯示，血液流動(dòng)出現(xiàn)的能量約為0.93瓦，呼吸也能出現(xiàn)0.83瓦的能量，人行走可以出現(xiàn)67瓦的能量。
而且，相對(duì)壽命有限的電池來(lái)說(shuō)，納米發(fā)電機(jī)可以工作很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至可以保證人體中的微觀器械一生中的能量供應(yīng)而無(wú)需更換。
“納米線相有關(guān)薄膜電源的重要優(yōu)勢(shì)，就是它的耐久能力特別高，幾乎不會(huì)有疲勞效應(yīng)，所以這樣的納米發(fā)電機(jī)可以用很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間?！彼a(bǔ)充說(shuō)。
不過(guò)，現(xiàn)在就對(duì)傳統(tǒng)電池說(shuō)“再見(jiàn)”，顯然還遠(yuǎn)不是時(shí)候。我國(guó)化學(xué)與物理電源協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)劉彥龍表示，現(xiàn)在電池界也不斷從材料上對(duì)電池進(jìn)行改進(jìn)，盡量向無(wú)毒、環(huán)保的方向努力，新產(chǎn)品也在不斷出現(xiàn)。有關(guān)新興的納米發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，在很多情況下，可能還要傳統(tǒng)電池的配合，才能保證電源在不同環(huán)境條件下的持續(xù)工作。
萊博教授也指出，和任何研究相同，公眾對(duì)納米發(fā)電機(jī)馬上就能實(shí)際應(yīng)用的期待“不要過(guò)高”。因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)室階段到完成工程化，乃至真正走入市場(chǎng)，都要時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間表顯然也“不容易預(yù)測(cè)”。
爭(zhēng)奪未來(lái)
根據(jù)王中林的預(yù)測(cè)，使用納米發(fā)電驅(qū)動(dòng)的微觀器械有望在三年內(nèi)問(wèn)世，并在五至八年的時(shí)間內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用。
“現(xiàn)在小組里的八個(gè)學(xué)生都放下了手里的其他工作，全力做這個(gè)事（納米發(fā)電機(jī)）?！蔽覈?guó)國(guó)家納米中心的博士生武祥透露。
目前，納米發(fā)電機(jī)一次放電過(guò)程中，在電阻上的輸出電壓約為8微伏，一個(gè)10微米×10微米大小的納米線陣列，所出現(xiàn)的功率足可以驅(qū)動(dòng)基于單根納米線、納米帶以及納米管的裝置。
從理論上說(shuō)，串聯(lián)1000根這樣的納米線即可輸出8伏的電壓，這已經(jīng)相當(dāng)于普通干電池的供電能力。但實(shí)際情況，卻要復(fù)雜得多。
王中林表示，從理論上說(shuō)的確如此，但是串連這么多的納米線實(shí)際上是不現(xiàn)實(shí)的。比如，最困難的問(wèn)題，就是如何讓氧化鋅納米線生長(zhǎng)得長(zhǎng)度一致，假如共同振動(dòng)的納米線不能同時(shí)接觸極板的話，就無(wú)法同時(shí)將輸出電能。
除了進(jìn)一步改良納米線的生長(zhǎng)方式，讓它們?cè)诖旨?xì)和長(zhǎng)度上接近一致，并且讓它們極板上均勻分布，以便讓盡量多的納米線可以同時(shí)出現(xiàn)電能，他表示，下一步是希望通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，使得僅用少量的納米線就可以達(dá)到0.5伏到1伏的輸出水平，“我相信在1年的時(shí)間內(nèi)，就可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)”。
此外，要實(shí)現(xiàn)工程化目標(biāo)，還要進(jìn)一步提高納米發(fā)電機(jī)的封裝水平，以便提高能量轉(zhuǎn)換效率。而更為宏大的目標(biāo)，則是在諸如人體運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和聲波等低頻振動(dòng)的情況下，提高能量轉(zhuǎn)化的效率。因?yàn)槟壳把趸\納米線的典型共振頻率約為兆赫茲，對(duì)高頻振動(dòng)更加敏感，其輸出電能的效率也相對(duì)更高，而如何供應(yīng)其對(duì)人體、水流這樣的低頻振動(dòng)的響應(yīng)，是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。
在這樣的前沿領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)自然也難以防止，一水之隔的大學(xué)奈米科技研究中心的陳永芳教授就是可能的挑戰(zhàn)者之一。與王中林有所不同的是，一年前他選擇了性質(zhì)和氧化鋅頗為相似的氮化鎵來(lái)進(jìn)行自己的納米發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)。
雖然氧化鋅的成本比較低，但氮化鎵工業(yè)上的用途更廣，技術(shù)上比較成熟，在以電子代工為主業(yè)的很容易獲得。在接受本刊采訪時(shí)，陳表示現(xiàn)在還有很多工作要做，“很多困難要克服”。
王中林承認(rèn)，氮化鎵在半導(dǎo)體和壓電效應(yīng)上與氧化鋅很相似，但他強(qiáng)調(diào)，氮化鎵納米線在生長(zhǎng)上的難度比較大，它要在特別復(fù)雜和昂貴的環(huán)境。而且，氮化鎵還對(duì)環(huán)境出現(xiàn)污染，“我相信氧化鋅還是最好的?！?/p>
當(dāng)然，我們也許應(yīng)該拋開(kāi)煩瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)，在科學(xué)允許的范圍內(nèi)，隨便暢想一下納米電源可能帶來(lái)的未來(lái)：
除了完全無(wú)線、可生物植入、長(zhǎng)時(shí)期甚至終生無(wú)需照管的納米或微電子器件之外，將來(lái)的士兵可以在軍鞋中安裝這種納米發(fā)電機(jī)，通過(guò)行走就能為隨身攜帶的微型設(shè)備供電，而不必在戰(zhàn)場(chǎng)上背負(fù)沉甸甸的電池。
假如愿意，當(dāng)然不僅僅是士兵，每個(gè)人的衣服上、鞋子里等，都可以放置這樣的電源，為身上攜帶的便攜電子設(shè)備（包括MP3、手機(jī)等）供應(yīng)能量。屆時(shí)唯一的問(wèn)題，可能就是要不斷運(yùn)動(dòng)來(lái)給它充電。
當(dāng)時(shí)這篇文章中的很多預(yù)測(cè)，現(xiàn)在都已經(jīng)或者正在成為現(xiàn)實(shí)。這也是王中林這次成為諾獎(jiǎng)熱門(mén)的原因之一。當(dāng)然我們也有幸，成為歷史的創(chuàng)造過(guò)程的見(jiàn)證者，這也是我們從事這項(xiàng)工作最大的樂(lè)趣。
