鉅大LARGE | 點擊量：932次 | 2019年01月14日
將帶來綠色能源革命的微型電池
科學家們一直在尋找更加輕便高效的電池，如今已經(jīng)已經(jīng)取得重大進展：他們制作出一種小電池，由十億個納米孔，或者說是能產(chǎn)生電流的微孔組成。
微型化在電池研發(fā)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、建筑和個人電子設備供電。
直徑只有人類頭發(fā)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(fā)展。電動汽車一直苦于短暫的續(xù)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(zhuǎn)。
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(chǎn)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(jù)馬里蘭大學的研究者說，它充滿電只要12分鐘，可以反復充電上千次。上周他們把這項研究發(fā)表在同行評審期刊《自然納米科技》上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
“我們被它的性能震驚了?！毖芯康暮现?、化學博士研究生EleanorGillette表示。她把這種快速充電的能力歸結(jié)為電流需要運動的距離很短。她認為納米級電池能夠使得制造商在有限的空間內(nèi)集成進更多的電池。
阿貢國家實驗室的聯(lián)合能源存儲研究中心主任GeorgeCrabtree說：“這看起來是一個重大進步?！彼J為納米孔技術(shù)帶來了成倍的優(yōu)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(wěn)定的結(jié)果，這將使大規(guī)模使用電網(wǎng)更有前途。
Crabtree表示，這類電池，就像最近在納米技術(shù)方面的其他進展一樣，在十年前還是完全不可能的事情。盡管過去15年來，這個領域已經(jīng)已經(jīng)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。
推動電池技術(shù)更好的發(fā)展
這項技術(shù)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(yè)也依賴于間歇性能源，風能和太陽能是其電力的主要來源，它們需要后備電力供應。
因此，這項科技競賽在校園、創(chuàng)業(yè)公司積極展開，甚至連通用電氣、IBM和豐田這樣的巨頭企業(yè)也參與進來。它們要制造一種電池，能夠取得重大突破，而不是鋰電池那樣的漸進式提高。行業(yè)領袖在20世紀70年代就開發(fā)出了鋰電池，并在20年后將其市場化。
部分研究者得到美國能源部提供的資金。他們努力開發(fā)和改進了幾種通過化學反應產(chǎn)生電力的電池。大多數(shù)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(jù)納米級的材料和結(jié)構(gòu)，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(fā)出一種新型鋰離子電池，用多孔硅納米顆粒取代了傳統(tǒng)的石墨陽極。這個由周崇武（ChongwuZhou）帶領的團隊表示，比起石墨材質(zhì)電池，他們的電池可以存儲三倍多的電能，而且十分鐘內(nèi)就能完成充電。
馬里蘭大學納米中心的管理者、工程學教授GaryRubloff表示：“納米化是獲得高能量之路。關(guān)于怎樣制造電池，納米級電池展示出了多種不同的替代方案?！?/p>
市場化的潛在挑戰(zhàn)
然而，把這項研究商業(yè)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于昂貴，只能作小型應用。
“對于這個領域來說，開發(fā)這類電池是一項重大挑戰(zhàn)，而且存在很多問題，”來自伊利諾伊大學香檳分校的PaulBraun和RalphNuzzo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(wǎng)級的備用電源。
JamesTour說：“可再生能源現(xiàn)在很難和石油、天然氣競爭。部分困難在于經(jīng)濟。”他是得克薩斯州休斯敦市萊斯大學的材料科學和納米工程學的教授。他的研究團隊創(chuàng)造了一種新的材料，由無數(shù)生長在石墨烯上的碳納米管組成，能夠大幅提高能源存儲。
德克薩斯州的Xidex公司和以色列的石墨有限公司正基于萊斯大學的技術(shù)，開發(fā)一種新型電池。這種技術(shù)能在幾分鐘內(nèi)給智能手機充滿電。Tour說：“這種電池三年內(nèi)就可以出現(xiàn)在市場上。”
斯坦福大學的教授崔屹（YiCui）認為，他的團隊需要三到五年時間才能把一種新型電池市場化。團隊成員包括美國前能源部長朱棣文（StevenChu）。他們的電池被吹捧為“純鋰電池”，在電解質(zhì)和陽極里都用了鋰，普通電池用的是石墨或硅。
崔屹的團隊發(fā)現(xiàn)了一個常見問題的解決方案：當鋰被放到陽極時，會比其他材料膨脹得更厲害，甚至會耗盡電解液。為了防止這一現(xiàn)象，他們做了“納米微球”，即一種蜂窩狀的微觀層，可以產(chǎn)生一種靈活的無電抗性薄膜，把鋰阻隔開來。
今年7月，朱棣文在一則聲明中聲稱，他們團隊的電池有潛力把手機電池的壽命延伸三倍，讓電汽車行駛300英里。
崔屹在研究商業(yè)化方面有一定的經(jīng)驗。他創(chuàng)立了安普留斯公司，產(chǎn)品是一種新型長效鋰離子電池。這是一家硅谷創(chuàng)業(yè)企業(yè)，朱棣文是董事會成員之一。
盡管最初的鋰離子電池投入市場花了二十年，Crabtree認為，目前的關(guān)注點在能源存儲——以及納米科學的好處——他預測這個過程會用到五到十年時間。
“現(xiàn)在正是把握機會的時刻。人類有機會加速創(chuàng)新的步伐。”
