爱华网关于爱情那些事儿txt 关于电池的那些事儿
关于2012年夏天的“全面回忆”，除了伦敦奥运之外，还有美国的“好奇”号火星探测器。虽然不知道“好奇”号有没有受到火星上的“马丁叔叔”们的欢迎，但是为“好奇”号提供动力的“大盒子”却受到了地球人的关注。那是一块重45公斤、60厘米的方形电池，这块电池可以为“好奇号”全年无休地提供14年电力。有数据显示，“核电池”提供的电能几乎是太阳能电池的3倍。 美国航空航天局（NASA）对于“核电池”的官方称呼是“多任务放射性同位素热电发生器（缩写为MMRTG）”，其原理是利用半衰期较长的放射性元素稳定衰变时发出的热量，加热热电材料，将热能转化成电能为全系统供电。“好奇”号使用的是约5公斤重的钚-238，一种极昂贵又难制备的放射性元素。“核电池”这般引发地球人关注的主要原因，在于人们对于高速、大容量储电技术的需求，不过“核电池”虽好，但日本核电泄漏事件让人总是感觉对“核”有点不放心…… 目前普通化学电池技术几乎发展到极致，难以再有革命性的突破；锂电池和太阳能电池都有成本高的问题；电池技术的突破口被认为在新燃料电池上，其中的氢燃料电池发展最为热门，日本的几大汽车公司都拥有相关专利。不过，电动汽车产业发展的速度远没有人们希望的那样快，以美国的情况来看，奥巴马总统于2009年宣布了一项24亿美元的拨款计划，作为美国的电动汽车电池制造业的启动资金。但三年的时间里，靠该笔资金建起的工厂要么没有开工，要么实际产能远远低于最初的设计。原因是因为人们买的电动汽车的数量不足，其中一个原因是电动汽车的价格是传统汽油车的两倍。关键问题在于高容量电池被制造出来之前，电池价格仍将居高不下。电池技术可能出现的突破也可能要经历数年的渐进式发展，就像丰田“普锐斯”让电动汽车逐渐获得竞争力的过程一样。尽管前途没有想象的那么乐观，但在既有电池技术中的突破和未来电池的发展趋势，可以让人们看到电池领域里技术正在发生的变革。 突破篇 尽管电动汽车的发展差强人意，但是智能手机的普及和太阳能产业的兴盛都带来大量电池供电需求。人们熟悉的锂离子电池，被认为是现代高性能电池的代表。目前科学家正在研制新型锂电池，比如磷酸锂铁（LiFePO4）电池。与传统的铅酸电池相比，这种新型锂离子电池更高效，使用寿命更长、重量更轻、单位成本更低。这项由美国南安普敦大学（University of Southampton）和锂离子电池技术公司里普系统公司（REAPsystems）联合进行的研究，使得锂电池能源效率为95％，而目前常用的铅酸电池只有80％左右。 另一些电池固有的技术有望得到革命性的突破，比如锌空气电池技术。电池开发商曙光储能公司（Eos Energy Storage）宣布自己可以彻底改革电网储能。他们研发的锌空气电池可以储备能量，成本只有天然气发电的一半。该公司宣布已经生产出的千瓦级锌空气电池原型可充放电2700次，并且没有任何物理衰退，最终产品可持续使用30年，进行电网级应用，循环寿命比铅酸电池高几个数量级，这使锌空气电池有望成为一种持续使用时间最长的电池类型。这项技术除了可用于电网储能，也可用于电动车辆。 液体电池也是一个值得关注的方向。美国马萨诸塞州（Massachusetts）剑桥（Cambridge）的液态金属电池公司（Liquid Metal Battery）研制可以廉价存储夜间产生的风电的电池。这种液体电池的原理是利用镁作负极（顶层），盐混合物含氯化镁，用作电解质（中间层），而锑用作正极（底层）的组合，在700摄氏度或华氏1292度的温度下运行产生电流。目前该公司正在优化系统的各个方面，包括一些容器，用于容纳熔化的材料，也有一些绝缘和加热的方法，还有用于降低工作温度的方法以减少能源成本。 氢燃料电池的发展更是值得关注。氢燃料电池是一种清洁能源。空中客车公司将一台90千瓦的氢燃料电池安装到德国航空航天中心所有的一架A320客机上，为飞机的非推进系统（比如照明设备、娱乐设施以及环境控制系统）供能，即可减少15%的燃油消耗，它们正在为2015年之前的试飞做准备。除了照明设备、娱乐设施以及环境控制系统，氢燃料电池还将为机上的航空电子设备、液压系统和燃料罐的安全保障系统（人工保持低氧水平）供能。氢燃料电池消耗空气，置换氧并产生水。该系统可以减少起飞时需要携带的水的重量。要知道，在某些大航线，水的重量可达3000磅之多。 不过氢燃料电池的成本是个问题，3月北卡罗莱纳州（North Carolina）开始建造美国最大的专用氢燃料电池能源项目是个降低成本的好消息。美国能源情报署（Energy Information Administration）最近一份报告表明，氢燃料电池是世界上最昂贵的发电形式，每兆瓦耗资670万美元。而北卡罗莱纳州氢燃料电池项目，是苹果公司燃料电池总规模的一小部分。这座工厂包括24个燃料电池模块，会从天然气中提取氢。这个项目考虑运用中佛罗里达大学（University of Central Florida）的研究成果——以一种类似三明治的结构，分层放置更便宜更丰富的元素（氢燃料电池多需要金、钯等贵金属），使其更有效。 另一个可以让既有的电池变得更有效的领域是电池管理软件系统。纽约市立大学（CUNY）能源研究所一直在开发创新的低成本电池系统，安全，无毒，可靠，具有很快的放电速率和很高的能量密度，研究所称，已制成一种可操作的样品，是锌阳极电池（zinc anode battery）系统。这种电池可以被大规模商业化推广。锌阳极电池更环保，成本更低，可以替代镍镉电池（nickel cadmium batteries）。从长远来看，它们也可以替代铅酸电池，进入成本更低端的市场。然而，锌具有枝状晶体生长（dendrite formation）的问题，会导致电池短路。为了防止枝状晶体堆积，纽约市立大学研究人员开发出一种液流辅助的锌阳极电池，带有复杂的先进电池管理系统（BMS：battery management system），可控制充电/放电规程。 实际上，电池管理系统是一种嵌入电池内的应用软件。有了它之后，电池能够“学会思考”，化学电能存储能够达到更有效和更安全的水平。好的电池管理系统包含多重隔离电路及主动保护、高精度实时信号处理与温度保护电路、大容量数据管理在线程序升级、高等级外部防护和高效电能转换等多项自有技术。获得达沃斯论坛2013技术先锋称号的安徽力高新能源技术有限公司是该领域的积极推动者。 太阳能电池技术的新突破 太阳能电池是近年发展的热点，由于世界各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池目前是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，因此很多新技术在这一领域内得以发展和成熟。目前硅太阳能电池是当中发展最成熟的，在应用中居主导地位，因此降低晶硅成本技术非常重要。美国双溪技术公司（Twin Creeks Technologies）开发出一种方法，用以制作晶硅薄片，可以使硅太阳能电池的生产成本减少一半。晶硅片占太阳能电池的大部分，传统方法制备晶硅片，需要切割块状或柱状硅，形成200微米厚的晶圆，这个工艺会把大约一半的硅变成废弃物。双溪公司的工艺可以制作20微米厚的硅片，基本上没有浪费，其结果是硅量减少了90％，大大降低了成本。 而延长太阳能电池模块寿命也是降低太阳能发电成本的关键，因此衍生出抗老化技术。硅酮是有前途的材料之一。尽管到现在为止，光伏组件的封装都会用到硅酮，然而硅酮并没有广泛用于太阳能电池板。太阳能电池板就是脆弱硅晶片周围的保护层。道康宁公司（Dow Corning Corporation）的研究团队展开了研究（该公司是世界上用于医疗技术、化妆品、汽车业、纸张加工和电子产品的最大硅酮生产商），科学家用液体硅酮涂抹光伏电池，实验结果证明，与传统的太阳能电池组件相比在强风中，硅酮包裹的光伏组件在强风中可以循环安装更多次，特别是在零下40摄氏度霜冻条件下更是如此。 另一个方面是等离子体技术。澳大利亚斯威本理工大学（Swinburne University of Technology）和尚德电力控股公司开发出世界上最高效的广谱纳米等离子体太阳能电池。研究人员介绍，他们制造的薄膜太阳能电池，使绝对效率达到8.1％。薄膜电池价格便宜，可以替代笨重的晶硅电池。他们采用的新技术可以让黄金和银纳米粒子聚集成核，形成凹凸不平的表面，散射光线会因此更多地进入广谱波长范围，带来更大的光线吸收，从而提高太阳能电池的整体效率。这项新技术会极大地影响太阳能产业，因为纳米集成价格低廉，而且易于升级，很容易被转移到生产线，纳米技术有望带来下一代太阳能电池。 科学家们同样在材料技术上也在探寻着努力。比如美国塞木普锐斯公司宣布，已经制成世界上最高效的太阳能电池板。这家公司的太阳能电池板使用微型太阳能电池，制备成分是砷化镓（gallium arsenide），这种模块包含数以百计的微型太阳能电池，每个电池的宽度相当于圆珠笔画出的一条线，这些电池排列在透镜下，透镜可聚集阳光1100倍。砷化镓可以更好地吸收阳光，远远胜过硅，不过砷化镓更昂贵。G24创新公司已宣布获得技术突破，研制成的染料敏化电池，接近模仿自然界光合作用中的光反应。新组成的染料和电解质经过设计，可有效捕获室内环境光线出现的光谱，产生较高的电压，从而可以利用这些光线产生更多的再生电力。这种光伏电池已经进入应用阶段，比如用于拉斯维加斯最大酒店的遮光遮阳系统，无线键盘等电脑外设上。这一突破会最终取代电池，被应用于日常消费类电子产品。这项技术的另一个关键优势，是它可提供干净的界面，连接消费类电子产品和电网，减少“幻路”（phantom）备用电源流失。 另一方面，一种新技术正在让染料敏化太阳能电池使用低成本的有机染料和二氧化钛（TiO2：titanium dioxide）纳米粒子，从而取代原本昂贵的半导体和稀土元素的材料，比如新加坡科技研究署（A*STAR）材料研究与工程所采用的碳纳米管。美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的研究人员开发塑料材质聚合物太阳能电池，可以把10.6％的太阳光能量转化为电能。这种太阳能电池柔韧且轻便，但它们的性能目前还落后于常规硅电池。一些自然元素甚至也可能改变太阳能电池的未来，比如草屑光合技术。有朝一日，只需使用你院子里剪草碎屑，混进一种廉价的化学溶液，把产生的混合物刷到屋顶上就能拥有太阳能屋顶。麻省理工学院（MIT）的研究人员已经开发出一种方法，制备太阳能电池板，可以采用当地的农业废料，不需要使用硅，制作这种随处混合的太阳能，廉价而且丰富，几乎任何地方都可以。不过这种技术目前的光转化率还很低。 除了材质之外，科学家们研究的重点是通过设计增加效能。传统的太阳能电池最多把34％的可用阳光转换成电力，剑桥大学物理系卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory）开发出一种新型太阳能电池，可吸收红光，也可以利用额外的蓝光能量，以增大电流。该实验室演示了一种有机/无机混合的光伏设备架构，其结果表明这种方法可以超过功率转换效率的极限。还有一种增加效能的技术是光化学变频技术。澳大利亚太阳能研究所（Australian Solar Institute）、悉尼大学化学学院和亥姆霍兹材料与能源中心（Helmholtz Centre for Materials and Energy），开发出一种“太阳能电池涡轮增压器”（turbo for solar cells），称为光化学变频（photochemical upconversion），可以把通常丢失在太阳能电池中的能量转变成电力。 而科学家们也在想办法通过改变太阳能电池的形状从而实现效能提升。日本六朋电子公司（Kyosemi）开发出一种革命性的球状微型太阳能电池，可捕获各个角度的阳光。这种电池称为斯斐拉（Sphelar）是球形的。虽然传统的平板太阳能电池很容易设计和生产，但是平板太阳能电池的效率依赖于相对于太阳的位置，因此需要动力改变面向太阳的角度。斯斐拉电池的设计和几何形状意味着，可以利用反射光和间接光源，能量转换效率接近20％，这一目标远远超出了大多数平板光伏技术。它的设计也使斯斐拉电池可用于各种尺度，包括移动电子设备。普林斯顿大学（Princeton University）的科学家模仿不起眼的叶子，在光伏材料表面制成微观褶皱，显著提高了输出功率和耐用性。这种褶皱设计可以使发电量增加了47％。加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人员设计并演示了一种反直觉的概念：太阳能电池的设计更像发光二极管，可以发光也可以吸收。这项设计可以在未来几年，取得接近30％的效率。太阳能光伏电池通常都是平放在屋顶或其他表面上，有时连接到机动的支架上，使电池总是朝向太阳，因为太阳会穿过天空。麻省理工学院（MIT）的一组研究人员想出了不同寻常的方法：就是制成立方体或塔型，可向上延伸的太阳能电池，形成三维结构。令人惊讶的是，他们测试这些结构，结果表明，输出功率可提高1倍到20倍以上，这是对比同等面积的固定平放电池板而言。 未来篇 各种科幻影视或多或少地描绘了未来电池的形状，比如扭转式电池。韩国电池制造商乐金化学公司（LG Chem）正在开发一种“电线状电池”：这种电池可放进耳机中为你的手机充电，或编进首饰及纺织衣物中，为可穿戴的电子产品供电。这种锂离子电池可在打结或呈其他扭曲形状的情况下继续供电。拥有这一新奇设计的电池容量不大，但公司的研究人员正试图研发出更加高能量的配方。据研究人员乐观地估计，这一锂离子线状电池有望在5年内投入大规模生产。改变电池扁平状态的关键是研究人员发明了如弹簧般的螺旋状电极设计，并采用了普通锂离子电池中常见的无机材料。这种结构允许电池承受任何外部的机械变形，同时保持其结构上的完整性，而在三维空间中，也可使电池更灵活。 当然还有厚度只有0.3 mm的超薄电池。NEC公司一直在研究“有机自由基电池”（ORB：organic radical battery）的技术，目前他们宣布自己研发出0.3mm厚的有机自由基电池。据测试，这种新电池输出功率为5千瓦/升，容量为3mAh。充满电时，这种新电池原型可以刷新屏幕2000次。一次充电只需大约30秒。新电池充电500次后，可保持75％的充放电容量。这种电池可以被用于信用卡、地铁和火车通行证或酒店门钥匙中。例如，消费者不需要使用自动柜员机，就可以使用卡上的小屏幕查看他们的银行存款余额。NEC打算在2013年把有机自由基电池集成到各种产品中。除用于信用卡之外，超薄电池还可用于纯平显示器和纸质一般的柔性电子阅读器。这种有机自由基电池还有另一种终端应用，就是直接用在服装上，比如在袖子上。 更重要的是还要能够便携。对于“多终端”时代的人类来说，出门总要带着一堆充电器实在是一件“非常不酷”的事情。现在，解决这个问题的电池终于来啦！麻省理工学院附属公司微型系统公司（LSI：Lilliputian Systems Inc）开发的设备尺寸大约相当于厚一点的智能手机，可以给iPhone 4充电10到14次，只要有USB接口就可以给任何设备充电。 新元素电池 除此之外，科学家们正在搜寻整个元素周期表，寻找新的元素组合，使传导和存储电子能够有更聪明的、像锂离子电池那么优质的电池。这些新电池技术包括亚胺化锂电池。这种电池技术可以使笔记本电脑或手机电池充电周期数量翻番，从350个周期增加到800个以上，并能运行在140华氏度以上，不会出现膨胀。人们熟悉的电池膨胀问题，是因为电子设备在运行多个程序的时候电池发热引起的。加拿大博士电池公司（Dr. Battery）零售商已开始销售这种可充电电池，据说这种成分的测试原型电动汽车电池正在研制中。 钠离子电池。这种技术使用一些简单、无毒的材料，比如盐水、棉花、木炭等制造并网存储电池系统。这类储能电池大小如同航运集装箱一般，用于太阳能、风能和其他可再生能源等生产商。这类电池的研究来自卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）工程学院。简单廉价的概念可以扩大到偏远地区的柴油发电机组，未来也可以支持家庭和企业供电。 2012年7月，通用电气公司位于美国纽约斯克内克塔迪（Schenectady）的、生产钠盐电池Durathon的工厂举行了盛大的开工仪式，正式进入了商业化规模的量产。他们的第一位顾客是南非工程公司Megatron Federal，这批电池将被装在尼日利亚的一些手机信号发射塔上。此前，阿奎昂能源公司（Aquion Energy）也在3月宣布该公司的电池已经成功，首个工厂将在2013年投产。这家公司生产的钠盐电池的市场定位为电信行业提供备用电源，以及公共电力的电网级应用。 通信电源领域到目前为止都是阀控密封式铅酸蓄电池的主要市场之一，市场占有率达到90%以上，主要用于通信基站和中心机房的后备电源，总的采购金额约占电信固定资产投资的2%～3%。这块市场不仅已经非常成熟，并且近几年移动互联网的兴起让通信行业再次迎来激增，这自然会带动电池需求的快速增长。而新一代电池技术在能量功效、环境安全、循环寿命、体积等性能上都远远超过传统的铅酸电池。以通用电气的钠盐电池Durathon为例，它以对环境友好的盐和镍为主要原材料，比会产生二次污染的铅酸电池环保得多。铅酸电池单位重量的能量密度很低，只有30瓦时/公斤，而钠盐电池为120瓦时/公斤，锂电池大致是80～90瓦时/公斤。循环使用寿命是考量指标电池的重要指标之一，这也是为何铅酸电池虽便宜，但到目前为止也无法用于电力并网的原因——频繁地深度放电会损害它们的性能，在某些应用环境中，铅酸电池可能仅维持6个月。而通用电气官方数据表示Durathon电池至少可以深度放电3500次，每日充放电的情况下可以使用10年，循环使用寿命几乎比铅酸电池长了10倍。更重要的是，在-20℃至60℃的使用环境下，Durathon电池的性能都不受影响，光这一点就让传统铅酸电池难以望其项背。 但铅酸电池的优势在于其低廉的价格。目前，锂离子电池的价格大致是600美元/千瓦时；Durathon电池到2015年可能会实现500美元/千瓦时的价格。但Durathon电池具有循环寿命更长、能量密度更高、不需要空调可以减少燃料等优势，从长远来看，Durathon电池更具经济效益。且加之全球环保政策的日趋严格，铅酸电池不具长远发展的未来。随着清洁能源、智能电网以及解决第三世界国家用电需求的兴起，电力并网、离网电力、电网调峰等的应用要求越来越凸显，这也会促动钠离子电池的长久发展。 固态锂离子电池。载重、行程和安全性是电动汽车备受关注的重要问题，一种技术思路是利用固态技术，不需要液体电解液用于锂离子燃料电池，这可以使得电池具有更高的能量密度，也可能显著降低系统的复杂性。通用汽车公司和科斯拉风险投资公司（Khosla Ventures）都支持这项技术的研究和开发工作。而日本丰田公司也发布了它自己的固态电池，具有600英里行程，准备在2015年前后推出。 锂空气电池。一位材料科学家说，锂空气电池具有“超越一切电池”的能量密度。锂空气电池不同于锂离子电池，因为它们使用碳做正极，而不是使用金属氧化物，碳的重量更轻，可以与周围空气中的氧气反应，产生电流。虽然这种电池动力有望达到1000英里的行程，而不是仅是125英里的电动汽车，但是，锂空气电池也被证明是不稳定的，最大的问题是锂接触潮湿空气会起火。但是IBM的研究人员在加利福尼亚州和瑞士都报道，他们已经解决了电池电化学的关键问题，找到了不同种类的电解质溶液。IBM公司希望2013年拿出一块原型锂空气电池。一些新创公司像伯克利（Berkeley）的聚加公司（PolyPlus），也在积极研究这项电池技术。 镁离子电池。美国能源部高级研究计划局能源署（ARPA-E：Advanced Research Projects Agency for Energy）资助高风险、高回报的技术，比如镁离子电池（magnesium ion battery），开发者是佩里昂技术公司（Pellion Technologies），是麻省理工学院（MIT）的校办企业。这家公司称自己的电池能量密度两倍于现有的锂离子电池，可用于消费电子产品和电动汽车。另一方面，丰田公司研究人员在美国密歇根州（Michigan）宣布他们正在开发自己的镁电池，用于电动汽车，单次充电行驶里程两倍于目前的电池，但要到2020年才能用上它。
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