復(fù)旦大學(xué)研發(fā)新型鋰電池 電動(dòng)車充電十秒可跑100公里
記者日前獲悉，復(fù)旦大學(xué)吳宇平教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組突破傳統(tǒng)舊制，首次提出“電位穿越”理論，并制成了平均充電電壓為2.4伏、放電電壓為4.0伏的新型 水溶液可充鋰電池（簡(jiǎn)稱為“水鋰電”），這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23伏。最新一期《自然》雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》刊發(fā)了這一最新研究成 果，該成果已引發(fā)美國能源研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)關(guān)注。
吳宇平教授則另辟蹊徑，用高分子材料和無機(jī)材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。這層復(fù)合膜幫助鋰離子的電位在正負(fù)極之間“時(shí)空穿越”——在它的 作用下， 質(zhì)子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會(huì)在鋰離子遷移過程中產(chǎn)生損耗。吳教授打趣說：“你可以把它看成一道‘任意門’，鋰離子的電位經(jīng)過膜，一下就到 了負(fù)極，然后又直接從負(fù)極回到正極，就好像科幻片中，人跨過蟲洞可以直接在地球和外太空之間往返。”正因此，課題小組把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。
據(jù)介紹，該包裹復(fù)合膜的新型水鋰電可大幅降低電池成本，其能量密度比目前普遍采用的有機(jī)電解質(zhì)的動(dòng)力鋰離子電池高出80％，從而使電池充電時(shí)間更短， 儲(chǔ)存電量更多，耐用時(shí)間更久。以電動(dòng)汽車為例，復(fù)旦新型水鋰電僅需10秒即可完成充電，且能跑上400公里，而其成本僅有傳統(tǒng)車用鋰電池的一半。目前，該 項(xiàng)技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化僅“一步之遙”。
據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)自2005年起就一直在開展水鋰電這一國際前沿領(lǐng)域的探索，至2007年，在科技部重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃和自然科學(xué)基金委的資助下，其研究成果和科研水平開始居于世界先進(jìn)地位。
納米太陽能電池有望打破能量轉(zhuǎn)化率瓶頸
據(jù)《自然光子學(xué)》雜志最新發(fā)表的一項(xiàng)研究稱，納米線可吸收比普通太陽光強(qiáng)度高14倍的太陽光?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，未來納米線不僅在太陽能電池領(lǐng)域，而且在量子計(jì)算機(jī)和其他電子產(chǎn)品中也有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究院納米科學(xué)中心和瑞士洛桑理工學(xué)院的研究人員表示，由于納米線一些獨(dú)特的物理吸光性，使其突破了利用太陽能的極限。尼 爾斯波爾研究院的皮特﹒克羅格斯拉普（Peter Krogstrup）博士說，此發(fā)現(xiàn)顯示了未來納米線太陽能電池發(fā)展的巨大潛力。
近年來，科研人員一直在研究如何改善提高納米線晶體質(zhì)量。納米線晶體呈柱狀構(gòu)造，直徑為人頭發(fā)的萬分之一。研究結(jié)果表明，納米線能夠在非常小的區(qū)域內(nèi)收集15倍的太陽射線。由于納米線的直徑小于太陽光的波長(zhǎng)，因此在納米線內(nèi)部和周圍能引起光強(qiáng)度共振。
克羅格斯拉普博士解釋說，共振能夠集中太陽光，太陽光又轉(zhuǎn)化為能量，這樣太陽能的轉(zhuǎn)化效率大大提高。此外，有瑞典科學(xué)家也表示，太陽能電池產(chǎn)生的大量電力也使得太陽光吸收進(jìn)入納米線。
克羅格斯拉普稱，多年來一直被視為太陽能電池轉(zhuǎn)化效率瓶頸的肖克利-奎伊瑟極限（SQ極限）看來有可能突破。盡管目前的研究結(jié)果只提高了幾個(gè)百分點(diǎn)， 但是這對(duì)發(fā)展太陽能電池、開發(fā)納米太陽能射線以及全球能源開發(fā)將會(huì)產(chǎn)生重要影響，只是納米線太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日。
所謂的肖克利？奎伊瑟效率極限測(cè)量約為33.5％，就是單個(gè)p-n結(jié)太陽能電池。這意味著，如果太陽能電池每平方米太陽能可收集1000瓦，那么，它能產(chǎn)生的最大電力為每平方米335瓦左右。
本次研究合作單位包括半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)室、洛桑理工學(xué)院、丹麥太陽能電池公司SunFlake A/S公司和基金會(huì)，研究?jī)?nèi)容和結(jié)果發(fā)表在1月份的《科學(xué)》雜志上。
位于硅基片之上的納米線吸收太陽射線。納米線極有可能成為未來太陽能電池的發(fā)展主流。（自哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究所）
左圖為硅底質(zhì)上GaAs納米線晶體的掃描電子顯微鏡圖；中間為透射式電子顯微鏡下的單個(gè)納米線；右圖是在掃描透射電子顯微鏡下放大的晶體結(jié)構(gòu)。（自哥本哈根大學(xué)尼爾斯波爾研究所）
技術(shù)突破進(jìn)入新階段：“塑料”太陽能電池
瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）巴西公司日前宣布，他們?cè)?ldquo;塑料”太陽能電池研究上獲得突破，以有機(jī)聚合體替代單晶硅制造太陽能電池的技術(shù)已進(jìn)入商 業(yè)開發(fā)階段。受此推動(dòng)，可發(fā)生光電效應(yīng)的有機(jī)聚合體薄膜產(chǎn)業(yè)將面臨大發(fā)展。盡管國內(nèi)上市公司尚未涉及 該產(chǎn)業(yè)，但太陽能電池背板膜的需求會(huì)受到帶動(dòng)。
塑料太陽能電池研究獲得突破
瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）巴西公司日前宣布，他們?cè)?ldquo;塑料”太陽能電池研究上獲得突破，以有機(jī)聚合體替代單晶硅制造太陽能電池的技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)開發(fā)階段。
所謂“塑料”太陽能電池，就是將可發(fā)生光電效應(yīng)的有機(jī)聚合體薄膜，印在碳基板上并連接成為電池組。與傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池相比，“塑料”太陽能電池具有輕巧、廉價(jià)的顯著特點(diǎn)，并且生產(chǎn)過程中污染較小。
據(jù)“美洲大地”網(wǎng)站報(bào)道，雖然歐美國家已開發(fā)出類似技術(shù)，但發(fā)電功率小，只適用于給手機(jī)等小型電器供電。CSEM巴西公司技術(shù)人員表示，他們的新技術(shù) 可制造較大面積的“塑料”太陽能電池板，以滿足普通家庭用電需求。如果在建筑頂棚等開闊空間安裝這種太陽能電池板，發(fā)電規(guī)模將非常可觀。
CSEM巴西公司稱，“塑料”太陽能電池的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的太陽能電池，因而已投入到商業(yè)開發(fā)階段，同時(shí)希望引進(jìn)私人企業(yè)的參與和投資。
5-10年內(nèi)有望大規(guī)模商用
據(jù)報(bào)道，英國科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究或能加速塑料太陽能電池的應(yīng)用步伐，使其在5到10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。這種太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能 通過“卷對(duì)卷印刷”技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，其成本低廉、環(huán)保，可大規(guī)模應(yīng)用。有專家認(rèn)為，這或?qū)?duì)傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池造成沖擊。
由英國謝菲爾德大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員進(jìn)行的這項(xiàng)研究，借助英國盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的ISIS中子源和“鉆石光源”對(duì)塑料太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，并以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)工藝作出改進(jìn)，提高了太陽能電池的整體性能。
新方法并未采用昂貴的技術(shù)來制造特定的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，而是通過批量印制工藝，用兩種不同的感光物質(zhì)在塑料薄膜上“印”上了一層厚度只有60納米的電路結(jié) 構(gòu)。整個(gè)制造過程都在較低的溫度下進(jìn)行，可采用“卷對(duì)卷印刷”技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)，且該工藝在總體上可顯著降低能耗和材料浪費(fèi)。
此外，與傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池切割封裝工藝相比，新技術(shù)的生產(chǎn)效率更高，一次印刷就可生產(chǎn)出幾個(gè)足球場(chǎng)大小的太陽能電池，而且大規(guī)模生產(chǎn)的成本也將遠(yuǎn) 低于傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池。在使用上，這種太陽能電池重量輕、易運(yùn)輸、可卷曲，在安裝時(shí)甚至可以直接附著在建筑物表面而不占用額外空間。研究人員稱，這種 聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率目前可以達(dá)到7%-8%，下一步有望提高到10%以上。
謝菲爾德大學(xué)教授理查德。瓊斯說，今后50年，傳統(tǒng)化石能源將無法滿足世界日漸增長(zhǎng)的能源需求，目前來看，在可再生能源中最有希望取代化石能源的就是 太陽能，但成本高、轉(zhuǎn)化率低一直限制著太陽能技術(shù)的應(yīng)用。新技術(shù)讓太陽能電池的低成本生產(chǎn)和大規(guī)模鋪設(shè)成為了現(xiàn)實(shí)，為新型太陽能電池的制造和可再生能源的 發(fā)展鋪平了道路。瓊斯預(yù)測(cè)，在未來5到10年，基于塑料等有機(jī)材料的太陽能電池制造技術(shù)將走向成熟，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。
污水尿液能發(fā)電 微生物燃料電池技術(shù)獲突破
微生物燃料電池并不是一個(gè)新概念。早在1910年，英國植物學(xué)家馬克·比特首次發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，他用鉑作為電極成功制造出了世界第一 塊微生物燃料電池。最近，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)環(huán)境工程系教授Bruce Logan的研究組嘗試開發(fā)微生物燃料電池，試圖將未經(jīng)處理的污水轉(zhuǎn)變成干凈的水，同時(shí)發(fā)電。該項(xiàng)技術(shù)未來還可能實(shí)現(xiàn)海水淡化。
科技的發(fā)展能令許多塵封的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。一塊看上去如此“微小”的電池，究竟隱含了怎樣“巨大”的能量？
污水中蘊(yùn)含電能價(jià)值
目前，污水處理費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，還消耗大量能量，基本是個(gè)隻投入不產(chǎn)出的行業(yè)，成為各國政府頭疼的一大難題。有數(shù)據(jù)稱，5%的電力消費(fèi)被用于污水處理。因 此，又能凈化水質(zhì)、又能發(fā)電的微生物燃料電池一旦出現(xiàn)，將有望把污水處理變成一個(gè)有利可圖的產(chǎn)業(yè)。Bruce Logan教授認(rèn)為，未來污水處理廠通過使用微生物燃料電池不僅可以滿足自身用電，還能向外輸電。
雖然目前還沒有商業(yè)產(chǎn)品問世，但多倫多大學(xué)的科學(xué)家戴維·伯格雷曾估計(jì)，污水中潛在的電能價(jià)值是其處理成本的10倍。Bruce Logan教授則認(rèn)為，隻要能利用潛在電能的1/20，污水處理廠就可以解決污水處理成本。不過他估計(jì)，微生物燃料電池實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還需5~10年。在現(xiàn) 階段，突破工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題仍然是如何繼續(xù)降低成本、提高電池性價(jià)比。
據(jù)悉，在早期的研究中，Bruce Logan所在的研究小組使用了大量昂貴的材料，如昂貴的石墨電極、聚合物以及鉑等貴金屬。但其最新的電池系統(tǒng)已經(jīng)使用了更便宜并且更環(huán)保的材料。“我們現(xiàn)在已經(jīng)可以不用任何貴金屬了。”Bruce Logan教授說。
尚處于實(shí)驗(yàn)室階段 但應(yīng)用前景廣闊
中國科學(xué)院廣州能源所研究員孔曉英在接受采訪時(shí)表示，微生物燃料電池目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但經(jīng)過科研工作者的不懈努力，它在各個(gè)方面都取得了顯著突破。
微生物燃料電池的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，塬料已由簡(jiǎn)單的葡萄糖、乙酸發(fā)展到各種廢水、農(nóng)業(yè)和畜牧廢棄物、城市生活有機(jī)垃圾、海水河水沉積物等復(fù)雜的材料。 在功能上，也由單純的產(chǎn)電拓展到處理廢水、輔助產(chǎn)氫、海水淡化、土壤修復(fù)及CO2的捕獲等。“微生物燃料電池有很多不同的‘模樣’，從兩室到陰極和質(zhì)子膜 壓合在一起的單室，從有膜到無膜，從電池單體到電池組，小到紐扣電池，大到大型柱狀電池，無不體現(xiàn)了科研人員豐富的想象力及創(chuàng)造力。”孔老師說。
據(jù)孔老師介紹，微生物燃料電池與其他電池相比，具有燃料來源多樣化、操作條件溫和、無需能量輸入、能量利用的高效性、生物相容性等獨(dú)有特點(diǎn)。但是與化學(xué)燃料電池相比，微生物燃料電池的功率輸出大約低4個(gè)數(shù)量級(jí)。
“雖然微生物燃料電池在電能輸出方面沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但是在很多方面有很好的應(yīng)用前景，可以發(fā)展為廉價(jià)、長(zhǎng)效的電能系統(tǒng)。將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成電 能，能為邊遠(yuǎn)地區(qū)或無人的地方提供微能源，修復(fù)土壤，淡化鹽水，協(xié)助產(chǎn)氫，它還可以成為新型的人體起搏器、生物傳感器等。”孔老師說，“然而，如何集成各 方面的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，使微生物燃料電池得到廣泛應(yīng)用是亟待解決的問題。另外，利用復(fù)雜有機(jī)物產(chǎn)電的機(jī)制、微生物群落代謝網(wǎng)絡(luò)等問題仍需深入研究。”
優(yōu)勢(shì)：將有機(jī)物“變廢為寶”
英國布裡斯托爾機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究人員克裡斯·梅爾赫什表示，從理論上來說，隻需要找到合適的微生物，微生物燃料電池可由任何有機(jī)物質(zhì)來驅(qū)動(dòng)。
孔老師對(duì)此觀點(diǎn)表示認(rèn)同。“‘合適’的微生物要滿足兩個(gè)條件：一是能夠很好地利用塬料﹔二是將代謝塬料產(chǎn)生的電子傳遞到電池電極上。”孔老師舉例說， 例如想利用富含纖維素的廢紙、木頭、玉米葉、玉米稈等制作微生物燃料電池，首先要找到纖維素降解微生物。牛的胃液是不錯(cuò)的選擇，可從活奶牛胃裡獲取瘤胃胃 液，通過置入到奶牛瘤胃上的套管提取胃液，然后將含纖維素的塬料及含纖維素降解微生物的胃液混合后加入到燃料電池裝置中，經(jīng)過反復(fù)“馴化”，使微生物適應(yīng) 電極的電子傳遞，就可能得到一種利用廢棄有機(jī)質(zhì)的微生物燃料電池。美國俄亥俄州立大學(xué)就是利用奶牛胃液制作了降解纖維素的燃料電池。
孔老師告訴記者，微生物燃料電池的塬料很廣泛，不同類型的電池塬料也不同，如處理廢水的微生物燃料電池的主要塬料就是廢水，土壤修復(fù)的微生物燃料電池塬料是土壤。
那些新奇的微生物“發(fā)電”新技術(shù)
可以說，幾乎任何類型的有機(jī)廢物材料都可作為微生物燃料電池的產(chǎn)電塬料，如麥草秸稈、動(dòng)物糞便以及葡萄酒、啤酒或奶制品行業(yè)的廢水等。但不管什么類型的微生物燃料電池，所採用的塬料本質(zhì)上都是糖類、醇類、蛋白質(zhì)等有機(jī)物。
專家評(píng)析：
利用尿液或者乳清來制造微生物燃料電池在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)研究是可行的，以上兩個(gè)發(fā)現(xiàn)都是在特定的條件下實(shí)現(xiàn)的。在尿液制作微生物燃料電池的實(shí)驗(yàn)中，研 究人員利用了無疾病人員正常代謝產(chǎn)生的尿液作為培養(yǎng)液，對(duì)來自污水處理廠的活性污泥進(jìn)行“馴化”，以此構(gòu)建的微生物燃料電池得到了極小的電能。由于微生物 在低濃度的情況下對(duì)有機(jī)塬料是可以正常啟動(dòng)的，但在高濃度下，則要進(jìn)行稀釋。同時(shí)，如果在實(shí)際運(yùn)行中找到合適的產(chǎn)電微生物及高效的電池配置，也能廣泛地利 用各種成分的尿液或乳清，并提高電能。
“血糖發(fā)電”：日本東北大學(xué)開發(fā)出了一種利用血液中的糖分發(fā)電的燃料電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內(nèi)的測(cè)定血糖值的裝置提供充足的電量，為心臟起搏器提供能量。
“尿液發(fā)電”：為處理密閉的宇宙飛船裡宇航員排出的尿液，美國宇航局設(shè)計(jì)了一種巧妙的方案：用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，它會(huì)產(chǎn)生氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質(zhì)，這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在航天條件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦電力。
“乳清發(fā)電”：希臘研究人員研發(fā)出了以乳清為塬料的微生物燃料電池。研究人員表示，乳清是制造奶酪的副產(chǎn)品，該 研究可讓工廠從乳清等有機(jī)廢物中回收能源。乳清富含乳糖，微生物燃料電池中的微生物通過消耗乳糖來產(chǎn)生電流。這種新型燃料電池雖然最近幾年才走進(jìn)大眾的視野，但它正在吸引越來越多人的關(guān)注，人們希望它在處理廢物的同時(shí)產(chǎn)生電力