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“超级电池”：榴莲电池充电30秒、钻石电池体积小超长寿命！

时间:2020-08-03 11:57来源:新浪科技 作者: 叶倾城
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       据国外媒体报道，手机等电子设备的锂电池会随着时间推移而老化，锂电池降解会产生巨大的环境成本，目前有没有更好的方式储存电能呢？
 
　　手机等便携式电子设备的广泛应用是当前时代特征之一，人们可在墙壁上插上手机电源，然后逐渐消耗这些存储的电能。而锂电池是手机的核心部件，它改变了传统储存和携带电能的能力，同时对我们的电子设备产生革命性变化。
 
　　锂电池的发展历程
 
　　1991年，日本索尼公司首次将锂电池实现商业化，当时该公司正在积极寻求解决手持摄像机电池寿命短暂的问题，目前锂电池已推广应用至许多产品，例如：智能手机、笔记本电脑、电动牙刷和手持吸尘器。2019年底，发明锂电池的三位科学家因该项革命性技术获得了诺贝尔化学奖。
随着越来越多的电动汽车出现在道路上，人类对更持久、电量更大电池的需求越来越大。
 
　　然而，现代人类的生活对锂电池的需求只会增加，电动汽车依靠锂离子电池来替代当前汽车使用的化石燃料，随着可再生能源在全球电力供应中所占比重越来越大，将需要更多的电池组储存电能，便于无风或者无太阳照射时使用。据悉，全球每年售出超过70亿块锂离子电池，预计到2027年，将超过150亿块。

       但是随着手机逐渐老化，电量也越来越少，我们知道锂离子电池也存在局限性。随着时间的推移，电池充电能力会下降，这意味着其储存电能也会减少。同时，在极热或者极冷的天气中，锂电池的表现也会下降，此外，人们对锂离子电池的安全性和可持续性也存在担忧，在某些特定条件下，锂离子电池容易起火、发生爆炸。此外，开采锂离子电池所需的金属材料也会带来高昂的社会和环境成本。
 
　　这促使世界各地的科学家尝试研发新型电池来克服这些问题，他们希望利用一些新型材料，其中包括：钻石、臭气熏天的水果等，找到为未来技术提供动力的新方法。
 
　　锂离子电池的工作原理是使带电的锂粒子（离子）穿过中间的液体电解质，使电流从一端移动到另一端，锂离子电池的最大优势在于“能量密度”——电池在其体积下所能容纳的最大能量，这也使得锂离子电池成为市场上可售电池中价格最高的，与其他电池技术相比，锂离子电池还可提供较高电压。
 
　　本质上电池是由3个关键部件组成——负极、正极，以及正负极之间的电解质。电极的作用在正极和负极之间切换，这将决定电池处于充电还是放电。在锂离子电池中，负极通常是由一种金属氧化物制成，该氧化物包括另一种金属，充电时，锂离子和电子从负极移动至正极，电能将作为电化学势能“存储起来”。这是通过电解质中一系列化学反应发生的，该化学反应是由充电电路中流动的电能驱动的，电池在使用过程中，锂离子通过电解液以相反的方向从正极流向负极，而电子则通过安装电池的电子设备的电路系统，为电子设备提供动能。
 
　　新型材料替代锂离子电池是必然趋势
 
　　近年来，研究人员对电池正负极材料的改进有助于提高锂离子电池容量和能量密度，但当前最需要将锂离子电池成本降低。
 
　　我们希望未来几年部分电子随身设备的电池功能有所提高，这将改善人们的生活质量。英国牛津大学材料科学家莫罗·帕斯塔称，35年前化学技术发展已处于停滞不前的状态。据悉，帕斯塔是牛津大学法拉第研究所的项目负责人，他负责研发新一代锂离子电池技术。他的目标是提高锂离子电池的能量密度，同时提高其工作效率，这样电池就不会因为反复充电和放电而降低功能性。
 
　　为了做到这一点，帕斯塔致力于使用陶瓷制成的固体材料来替代锂离子电池中极易燃的电解质液体，使用固体可以降低电池短路或者不稳定情况下电解液燃烧的风险。2017年，三星手机出现一系列电池故障起火事件之后，立即召开250万部Galaxy Note 7s手机，采用固体替代传统电解液对于未来手机安全性至关重要，因为大多数便携式电子产品中的聚合物凝胶电解质是易燃的。
 
　　这种固态电池也可以使用致密的金属锂代替石墨正极，从而大幅增加能量存储，这可能对未来电动汽车产生深远影响。
 
　　目前，每辆电动汽车的电量相当于数千块iPhone手机电池，专家分析称，未来几年电动汽车将逐渐取代多数国家的化石燃料汽车，向固态电池的革命性转变意味着充电续航时间更长。
 
　　我们希望电池在未来几年广泛应用于电气设备和便携式电子设备，那么，我们是否应该寻找锂电池的替代品来减轻它对环境的影响呢？
 
       世界上大部分的锂都是从南美洲大型盐沼中开采出来的，但是这个过程需要大量水，对环境构成一定破坏和污染。世界上大部分的锂都是从南美洲大型盐沼中开采出来的，但是这个过程需要大量水，对环境构成一定破坏和污染。
　　  
       安第斯山脉的“锂三角区”——包括阿根廷、玻利维亚和智利的部分地区，这里蕴藏着世界50%以上的锂金属自然资源，但是从盐碱地提取锂需要水，并且是大量的水。据悉，在智利阿塔卡马盐沼地区，开采锂金属的过程中，每提取900公斤锂金属，大约需要使用100万升水。其间涉及将富含金属的盐逐渐溶解在水中，过滤然后蒸发，直到提取纯锂盐。然而，智利环�；咕娉�，该地区的锂、铜金属开采消耗的水资源远大于自然降水量。
 
　　为了解决这个问题，德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员正在研究如何在电池正极使用不同金属，例如：钙或者镁。钙是地壳中含量第五大元素，不太可能像锂那样出现供应问题，但利钙改善电池性能的研究仍处于起步阶段。镁也显示出令人鼓舞的初步成效，特别是在能量密度方面，并且有很好的商业前景规划。
 
　　近年来，一些科学家正在积极寻找更容易获得的材料代替锂金属，美国马里兰大学材料创新中心主任胡良兵（音译）使用多孔木片作为电极，制造了一种电池，金属离子在里面反应产生电荷。木材存量丰富，成本低，重量轻，在电池应用中显示出高性能潜力。目前，经过多年研制的最新电池可使用木材存储电能，其中包括木材纤维上涂锡，由于木材曾作为木本植物能够渗透传递养分，因此木材制成的电极具有存储金属离子的能力，不会像锂离子电池那样出现膨胀或者收缩的危险。
 
　　“刚果有一个普遍现象，几乎每个矿工都是带着孩子去挖锂矿。”
 
　　虽然胡良兵研究团队预测称木质电池未来可用于便携式电子设备以及大规模能源存储，但当前此项技术还无法对笔记本电脑进行充电，仍在实验室进行测试验证。目前，木质电池充电速度相对较快，一台配备木质电池的电子设备经过100次充电，仅能维持初容电容量的61%。
 
　　目前，应用于电池的木质材料宽度和长度仅几厘米，但未来可将电池堆叠或者连接在一起，实现更大规模的应用，这将最终用于家庭或者其他建筑的能源存储。
如果不妥善处理，电池中的化学物质和重金属会在腐蚀过程中泄漏到自然环境中。
 
　　事实上，锂并非现代电池唯一使用的金属，大多数电池还在负极使用钴和锂，但是钴矿开采会产生有毒物质，对矿区附近居民构成健康威胁，并严重破坏生态环境。目前非洲部分国家使用童工开采钴矿，尤其是刚果民主共和国，这个国家拥有世界50%以上的钴矿资源。
 
　　“刚果有一个普遍现象，几乎每个矿工都是带着孩子去挖锂矿。”美国德州农工大学化学工程师乔蒂·鲁特肯浩斯说。该现象激发她利用蛋白质开发“血液电池”的替代品，蛋白质是生物体制造并使用的复杂分子，电池正极一般是由石墨制成，而负极则是由含有钴等元素的金属氧化物制成，如果这两种活性电极都能用有机材料替代，就意味着未来不再需要大量开采钴，用于制造电池。
 
　　目前，每年出售的15亿部锂离子电池智能手机中，仅有大约5%手机的锂离子电池被回收。
 
　　据悉，乔蒂与同事凯伦·伍利合作开发蛋白质电池，这是世界上首个在酸液中自行降解的电池，这意味着它很容易分解并再次使用。
 
　　虽然蛋白质电池还处于概念验证阶段，还无法与锂离子电池产生竞争，蛋白质电池在报废之前，可循环充电50次，提供1.5伏电源，但这是一个令人兴奋的设计，证实未来新型电池将具有可持续性应用。
 
　　超级水果电池：榴莲电池充电仅需30秒
 
　　目前，一支创新团队不仅找到电池提供动力新方法，还能解决食物浪费的问题。澳大利亚悉尼大学化学工程师文森特·戈梅斯和拉博纳·沙布南正在将世界上最臭的水果榴莲和最大的水果菠萝蜜的废料变成超级电容器，能够在短短几分钟内对手机、平板电脑和笔记本电脑充电。
 
　    “我的妻子受不了这种恶臭气味，她在冰箱里将榴莲放一晚上就无法忍受，随后将残留的榴莲拿出来。”戈梅斯打趣道。
 
　　超级电容器是储存能量的另一种方式，它们就像蓄水池一样，能够快速充电，然后在爆炸过程中释放能量，它们往往是由石墨烯等昂贵材料制成的。但是戈梅斯的研究团队已经将榴莲和菠萝蜜中不能食用的物质变成了碳气凝胶——多孔超轻固体结构，其具特殊的自然能量存储特性。
榴莲以其难闻的气味而闻名，但它可以成为新一代超级电容器的材料，“榴莲电池”充电仅需30秒。
　　
       加热榴莲或者菠萝蜜，冷冻干燥处理，再将水果中不能食用的海绵核心结构在烤箱1500摄氏度以上高温烘烤，最终这些黑色、高多孔、超轻结构可制成低成本超级电容器的电极。
 
　　超级电容器充电仅需30秒，并应用于诸多电器设备。沙布南说：“能在不到1分钟内对手机充电是不可思议的事情！我们的目标是使用这些可持续性超级电容器存储可再生能源的电能，供汽车和家庭使用。”
 
　　此外，使用榴莲、菠萝蜜作为超级电容器还具有很好的环保用途，由于该水果气味特殊，全球超过70%以上的榴莲通常被丢弃。2018年，榴莲气味曾导致印度尼西亚一架航班客机暂时停飞；2019年，澳大利亚堪培拉大学图书馆因出现吃剩的榴莲，而进行了人群疏散。在这项研究最初阶段，戈梅斯的妻子也非常厌恶榴莲的恶臭气味，榴莲在冰箱中放了一晚上，就被清除丢弃。
 
　    其他类型的植物废料未来也可作为电器设备供电材料，俄罗斯莫斯科国立科技大学物理化学家米哈伊尔·阿斯塔霍夫将猪草转化为一种可用于手机充电的超级电容器原材料，据悉，在日常生活中猪草并没有太大的利用价值，它含有使人体皮肤起泡的有毒液体。
 
　　人造钻石电池：体积小，超长使用寿命！
 
　　虽然克服锂离子电池环保问题是最终可以解决的，但是一些专家正在深入研究，试图突破其他材料的局限性。英国布里斯托大学材料科学家汤姆·斯科特认为，下个世纪锂离子电池仍然占据电池主流地位，但在极端环境下会采用一些特殊储存能源的材料。
 
　　近年来，斯科特和研究同事一直致力于研制钻石电池，通过种植含有放射性碳-14的人造钻石，他们可以制造出“贝塔电流电池（betavoltaic batteries）”，它可以产生恒定电流，并能持续使用几千年时间。锁定在人造钻石晶格内的放射性同位素在核衰变时会释放超高能量电子。通过人造钻石可产生电子，用于制造电流。他们强调称，在钻石电池的外部层面，其辐射指数保持在安全等级之内。
 
　　现在该研究团队已制造一个“钻石电池”原型，他们将人造钻石放置在同位素镍-63产生的放射场中，触发电子穿过钻石。目前他们正在研制如何在核电站从石墨块中提取碳-14，斯科特和同事希望将这些核废料转化为使用寿命较长的电池。
 
　　斯科特同事索菲·奥斯伯恩说：“长期以来，我们一直在收集核废料，现在我们不再谈论长期储存的问题，而是将它们用于发电。”
 
　　虽然像锂离子电池这样的化学电池不适用于高温环境，而钻石电池能挑战一些极端环境，具有一定的优势，例如：应用于空间环境、海洋底部、火山顶部等，它将成为保障卫星电源和传感器正常运行的最佳电池。
为卫星或国际空间站更换电池不是一件容易的事，因此更持久的储能电池将是一个优势，未来“人造钻石”电池将有广阔的应用领域。
 
　   “人造钻石电池另一大优势是体积很小，目前研究人员已制造出1.8伏的钻石电池，它类似于一块AA电池，尽管其电流要低很多。从技术上讲，人造钻石电池是可以充电的，但需要在反应堆堆芯中放置几个小时才能达到额定功率，虽然放射性物质衰变时会产生稳定电流，这意味着它们能持续使用很长一段时间，碳的半衰期为5730年。”
 
　　尽管这种新型电池是由“钻石”制成，但它们的成本并不贵，斯科特说：“你会惊讶地发现人造钻石价格很便宜。”
 
　　他认为，未来10-20年，我们甚至可以看到超长使用寿命的钻石电池，它们可作为烟雾报警器或者电视遥控器的电源，也可能应用于助听器或者心脏起搏器等医疗设备。未来我们可能不用在半夜更换烟雾报警器失效电池感到痛苦了。
 
(责任编辑：子蕊)
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