“超級電池”榴蓮電池充電30秒、鑽石電池體積小超長壽命!
2020年08月03日09:50

  8月3日消息,據國外媒體報導,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徵之一,人們可在牆壁上插上手機電源,然後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。

  鋰電池的發展曆程

  1991年,日本Sony公司首次將鋰電池實現商業化,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在道路上,人類對更持久、電量更大電池的需求越來越大。
隨著越來越多的電動汽車出現在道路上,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佔比重越來越大,將需要更多的電池組儲存電能,便於無風或者無太陽照射時使用。據悉,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,鋰電池的表現也會下降,此外,人們對鋰離子電池的安全性和可持續性也存在擔憂,在某些特定條件下,鋰離子電池容易起火、發生爆炸。此外,開採鋰離子電池所需的金屬材料也會帶來高昂的社會和環境成本。

  這促使世界各地的科學家嚐試研發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:鑽石、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勢在於“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,這將決定電池處於充電還是放電。在鋰離子電池中,負極通常是由一種金屬氧化物製成,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,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於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年前化學技術發展已處於停滯不前的狀態。據悉,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複充電和放電而降低功能性。

  為了做到這一點,帕斯塔致力於使用陶瓷製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定情況下電解液燃燒的風險。2017年,Samsung手機出現一系列電池故障起火事件之後,立即召開250萬部Galaxy Note 7s手機,採用固體替代傳統電解液對於未來手機安全性至關重要,因為大多數便攜式電子產品中的聚合物凝膠電解質是易燃的。

  這種固態電池也可以使用緻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於數千塊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國家的化石燃料汽車,向固態電池的革命性轉變意味著充電續航時間更長。

  我們希望電池在未來幾年廣泛應用於電氣設備和便攜式電子設備,那麼,我們是否應該尋找鋰電池的替代品來減輕它對環境的影響呢?

世界上大部分的鋰都是從南美洲大型鹽沼中開採出來的,但是這個過程需要大量水,對環境構成一定破壞和汙染。
世界上大部分的鋰都是從南美洲大型鹽沼中開採出來的,但是這個過程需要大量水,對環境構成一定破壞和汙染。

  安第斯山脈的“鋰三角區”——包括阿根廷、玻利維亞和智利的部分地區,這裏蘊藏著世界50%以上的鋰金屬自然資源,但是從鹽堿地提取鋰需要水,並且是大量的水。據悉,在智利阿塔卡馬鹽沼地區,開採鋰金屬的過程中,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,過濾然後蒸發,直到提取純鋰鹽。然而,智利環保機構警告稱,該地區的鋰、銅金屬開採消耗的水資源遠大於自然降水量。

  為瞭解決這個問題,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供應問題,但利鈣改善電池性能的研究仍處於起步階段。鎂也顯示出令人鼓舞的初步成效,特別是在能量密度方面,並且有很好的商業前景規劃。

  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新中心主任胡良兵(音譯)使用多孔木片作為電極,製造了一種電池,金屬離子在裡面反應產生電荷。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,經過多年研製的最新電池可使用木材存儲電能,其中包括木材纖維上塗錫,由於木材曾作為木本植物能夠滲透傳遞養分,因此木材製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膨脹或者收縮的危險。

  “剛果有一個普遍現象,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於便攜式電子設備以及大規模能源存儲,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,一台配備木質電池的電子設備經過100次充電,僅能維持初容電容量的61%。

  目前,應用於電池的木質材料寬度和長度僅幾釐米,但未來可將電池堆疊或者連接在一起,實現更大規模的應用,這將最終用於家庭或者其他建築的能源存儲。

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境中。
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境中。

  事實上,鋰並非現代電池唯一使用的金屬,大多數電池還在負極使用鈷和鋰,但是鈷礦開採會產生有毒物質,對礦區附近居民構成健康威脅,並嚴重破壞生態環境。目前非洲部分國家使用童工開採鈷礦,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。該現象激發她利用蛋白質開發“血液電池”的替代品,蛋白質是生物體製造並使用的複雜分子,電池正極一般是由石墨製成,而負極則是由含有鈷等元素的金屬氧化物製成,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採鈷,用於製造電池。

  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。

  據悉,喬蒂與同事凱倫·伍利合作開發蛋白質電池,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並再次使用。

  雖然蛋白質電池還處於概念驗證階段,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性應用。

  超級水果電池:榴蓮電池充電僅需30秒

  目前,一支創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。澳州雪梨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,隨後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,然後在爆炸過程中釋放能量,它們往往是由石墨烯等昂貴材料製成的。但是戈梅斯的研究團隊已經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。
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,冷凍乾燥處理,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、超輕結構可製成低成本超級電容器的電極。

  超級電容器充電僅需30秒,並應用於諸多電器設備。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保用途,由於該水果氣味特殊,全球超過70%以上的榴蓮通常被丟棄。2018年,榴蓮氣味曾導致印尼一架航班客機暫時停飛;2019年,澳州坎培拉大學圖書館因出現吃剩的榴蓮,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於手機充電的超級電容器原材料,據悉,在日常生活中豬草並沒有太大的利用價值,它含有使人體皮膚起泡的有毒液體。

  人造鑽石電池:體積小,超長使用壽命!

  雖然克服鋰離子電池環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。英國布里斯託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佔據電池主流地位,但在極端環境下會採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於研製鑽石電池,通過種植含有放射性碳-14的人造鑽石,他們可以製造出“貝塔電流電池(betavoltaic batteries)”,它可以產生恒定電流,並能持續使用幾千年時間。鎖定在人造鑽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。通過人造鑽石可產生電子,用於製造電流。他們強調稱,在鑽石電池的外部層面,其輻射指數保持在安全等級之內。

  現在該研究團隊已製造一個“鑽石電池”原型,他們將人造鑽石放置在同位素鎳-63產生的放射場中,觸發電子穿過鑽石。目前他們正在研製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,現在我們不再談論長期儲存的問題,而是將它們用於發電。”

  雖然像鋰離子電池這樣的化學電池不適用於高溫環境,而鑽石電池能挑戰一些極端環境,具有一定的優勢,例如:應用於空間環境、海洋底部、火山頂部等,它將成為保障衛星電源和傳感器正常運行的最佳電池。

為衛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勢,未來“人造鑽石”電池將有廣闊的應用領域。
為衛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勢,未來“人造鑽石”電池將有廣闊的應用領域。

  “人造鑽石電池另一大優勢是體積很小,目前研究人員已製造出1.8伏的鑽石電池,它類似於一塊AA電池,儘管其電流要低很多。從技術上講,人造鑽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定電流,這意味著它們能持續使用很長一段時間,碳的半衰期為5730年。”

  儘管這種新型電池是由“鑽石”製成,但它們的成本並不貴,斯科特說:“你會驚訝地發現人造鑽石價格很便宜。”

  他認為,未來10-20年,我們甚至可以看到超長使用壽命的鑽石電池,它們可作為煙霧報警器或者電視遙控器的電源,也可能應用於助聽器或者心臟起搏器等醫療設備。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。(葉傾城)

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