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[转帖之王] 改造锂电池新突破,储电量充电速度都提升10倍

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发表时间: 2011-12-2 13:54 显示全部帖子
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改造锂电池新突破,储电量充电速度都提升10倍
  出处:外滩画报  

多年来,电池一直是大多数电子消费品的薄弱环节。以智能手机为例,虽然技术日新月异,手机已经可以直接观看高清影像,但是看不了多久就要充电。笔记本电脑虽然装上了双核、能够挥洒自如地执行多任务,但只要全力运行几小时,内部的电池就会耗尽。我们都经历过这样的尴尬――等待重要来电时,手机却没电了;最喜欢的歌曲快要开始,iPod的指示灯却灭了;死命跑到咖啡馆,只为给笔记本电脑充电。多亏美国一组科学家最近取得的突破,这样的尴尬将会越来越少。

着眼源头,巧用夹心

这个研究组来自芝加哥的西北大学,研究带头人是芝大化学和生物工程系的教授哈罗德.孔博士(Harold  Kung)。孔博士和他的同仁宣布,通过在电池中添加新的材料,他们已经能让电池的储电量和充电速度大大提高。近期的《高级能量材料》(Advanced Energy Materials)杂志上刊登了对这项创新的介绍,执笔的孔博士等人在文中对新技术做了详细描述。

这项研究的对象是锂离子电池。现在市场上的大多数可充电设备都靠锂离子电池供电,以目前的技术而论,它有两个主要缺陷:一是电力供应有限,二是充电速度缓慢。眼下正有越来越多的消费者使用智能手机和平板电脑进行数据密集的操作,比如看电影、玩游戏、上网浏览等等。因此,电池的性能自然就成为了大家关注的焦点。

为了提高用电效率,厂商纷纷在自己的产品上动起了脑筋,例如苹果就刚刚完成了iPhone 4S的软件更新,以解决耗电过快的问题;不久前发明的E-MiLi技术可以阻止手机在休眠模式下搜索信号,从而延长电池的续航能力;新问世的硅芯片可使处理器的效率倍增,让设备在不耗尽电池的前提下完成密集操作;手机厂商甚至研发了透明的太阳能显示屏贴膜,让智能手机能在阳光中充电。

以上创意的出发点都是提高设备的用电效率;而孔博士等人的目标,则是增强电池本身的性能,从源头上解决电力不足的问题。

顾名思义,锂离子电池就是内部含有锂离子的电池。每一块锂离子电池的正极都安装了好几层名叫“石墨烯”的材料,石墨烯是层层叠叠的碳原子,锂离子位于这些碳层之间,每当电池充电或者耗电时,它们就从一个碳层移动到另一个碳层。充电,就是将锂离子送往电池正极的过程,当所有离子都抵达正极,电池就充满了。而在设备投入使用的时候,电池中的锂离子就开始逐渐向负极移动,当它们全部抵达负极,电力即告耗尽。

孔博士和同事的目标是增加锂离子电池的能量密度;换言之,如何在电池中储存更多能量,以及如何更快地将能量存入取出。他们决定从改变电池正极的内部结构着手。



锂离子电池的储电量是由电池内部的锂离子数量决定的。在由石墨烯组成的传统锂离子电池中,每六个碳原子可容纳一个锂原子。为了增加储电量,科学家试过用硅来替换碳;硅的容量比碳大,每四个硅原子就能容纳一个锂原子,因此更善于储电,但硅也有它的缺点,就是会在充电时膨胀收缩、发生碎裂,从而使电池迅速失去电力。

为了解决这个两难问题,孔博士和同事想到了“夹心”的办法:他们将细小的硅簇夹在两层石墨烯中间。在充电和放电过程中,石墨烯和硅簇一起膨胀、收缩,却又不至于破裂。这样一来,不仅硅的形态得以保持稳定,穿梭于电池中的锂离子数量也增加到了最大。孔博士告诉记者:“这办法算是博采两家之长,既用硅片提高了能量密度,又用夹心手法减少了硅的伸缩造成的电力损失。”

至此,储电量的问题得以圆满解决,那么,如何才能让充电速度更快呢?长久以来,锂离子电池的充电效率一直受到石墨烯形态的制约:电池中的石墨烯片非常薄,厚度只有一个原子,相比之下,他的面积就显得相当庞大了。充电时,锂离子必须绕过面前的石墨烯片才能就位,它要先向外移动到石墨烯片的边缘处,然后回到两片石墨烯中间停留,这个过程耗时漫长、颇费周张,导致石墨烯片的边缘经常发生“交通阻塞”。

有鉴于此,研究人员自然想到了疏导交通的方法――既然决定充电时间的是锂离子在石墨烯层之间的移动速度,那为何不给这些离子开辟几条捷径呢?运用化学氧化过程,他们在石墨烯片上钻出了数以百万计的小孔,每一个小孔的直径都在10到20纳米之间。这样一来,锂离子就能更加自由地在电池中穿行,充电速度也随之提高了。

经过夹心和钻孔处理的锂离子电池,其储电量和充电速度都提高到了原来的10倍。

缺点有限,前途无量

新技术虽然填补了锂离子电池的现有缺陷,但它本身却并非完美无缺――在充电150次之后,它的储电量和充电速度都会骤降。但孔博士认为缺点有限,瑕不掩瑜,他说:“即便在经过了一年多的使用和150次的充电之后,新电池的效率仍比市场上现有的锂离子电池高出5倍。”

自论文发表、成果公布之后,孔博士就一直忙着招架风投公司的邀约。业界已经等不及要将这项成果商业化,将新电池投入批量生产了。参与研究的科学家则认为新技术尚不成熟,现在投产为时过早。他们指出,迄今完成的工作都集中在对电池正极的改良――也就电池供电时、电流进入电池的那一极,眼下需要的是继续研究电流流出的负极,以期进一步提高电池性能。孔博士认为,如果进展顺利,新产品有望在三到五年内走进商场。

一旦投产上市,它会对我们的日常生活产生什么影响呢?首先肯定是让各种电子产品更加经久耐用、充起电来更加快捷。未来的智能手机只要15分钟就能充足电量,还能持续使用一周的时间。

从另一方面看,就算将电池的尺寸缩小为现在的1/10,它的性能也可保持不变。只要见过iPad或者智能手机的电池,就会明白电池是阻碍电子产品小型化的重要因素。新技术一旦推广,许多产品的体积都有望显著缩小,到时候,手提电脑和助听器就再也不需要携带那一块块沉甸甸的电池了。

不过,孔博士的心底还酝酿着更大的理想。他希望这种新型充电电池能以其更大的容量、更短的充电时间革新电驱动轿车技术。

“如果你的电驱动轿车不用每跑60英里(96.5公里)就充一次电,而是可以一连跑上600公里,那么电动轿车就会比现在好用很多。你不用在家充完电再上路,只要中途在加油站稍停片刻、充个15分钟的电就行。如果能做到这一点,消费者接受电动车的阻力就会减小。”

他还指出,高品质的电池不仅可以推广电动车,还能将太阳能和风能这些再生资源产生的电力储存起来。这将使人类减少对化石燃料的依赖,在降低大气中的碳排放的同时,减少对进口石油的依赖。

“有了储存电力的简单方法,我们这个电力世代就能更加倚重那些再生资源了。”他如此展望。

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