中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：新型電池不僅能夠像傳統(tǒng)電池一樣充電，還可以像給車加油一樣為電池注入新燃料。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和伊利諾斯科技院的研究人員表示，從理論上來(lái)講，這種材料每次充電可供電動(dòng)汽車行駛500英里，是目前電動(dòng)車單次充電行駛距離的五倍。當(dāng)電力不足時(shí)，僅需在加油站花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間就可以將電池的燃料加滿。相反，最快的傳統(tǒng)充電站也得耗時(shí)一小時(shí)將電力充滿。
目前，有限的行駛距離和長(zhǎng)時(shí)間的充電時(shí)間是電動(dòng)汽車兩個(gè)最大的挑戰(zhàn)。液體電池電極通過(guò)增加電池盒的能源存儲(chǔ)量達(dá)到延長(zhǎng)行駛距離，由于所需的非能源存儲(chǔ)部件減少，所以液體電極電池的造價(jià)更為低廉。
能源高級(jí)研究項(xiàng)目署的項(xiàng)目經(jīng)理劉平（音譯）表示，由于這種電池使用的是液體電極，因此與傳統(tǒng)電極相比更加安全可靠。正負(fù)電極材料分別裝在兩個(gè)分開的容器內(nèi)，與傳統(tǒng)電池有所不同。這樣可以避免短路和電池過(guò)熱導(dǎo)致鋰離子電池著火。
目前可充電燃料還處于初級(jí)研究階段，但是能源高級(jí)研究項(xiàng)目署認(rèn)為該種燃料前景十分良好，并宣稱將出資設(shè)立四個(gè)研究小組來(lái)進(jìn)一步開發(fā)該技術(shù)。
迄今，伊利諾斯研究人員展示了一款使用一個(gè)液體電極和一個(gè)固體電極制成的小型“半電池”。他們計(jì)劃使用正負(fù)液體電極制造一個(gè)電池原模型。這種電池能夠存儲(chǔ)一千瓦時(shí)的電力，足夠汽車行駛數(shù)英里。
傳統(tǒng)電力汽車電池有多達(dá)75%的材料有并不存儲(chǔ)能源的部件組成，其中包括電池包裝、傳感器、電氣連接、冷卻系統(tǒng)等。液體能源存儲(chǔ)至少在理論上不會(huì)采用以上的部件，大大削減了電池體積和成本。
新型電池的液體電極存儲(chǔ)在容器內(nèi)，通過(guò)一個(gè)相對(duì)較小的設(shè)備泵入，相互作用從而發(fā)電。增加能源存儲(chǔ)量也就是加大存儲(chǔ)容器體積而已，而發(fā)電的設(shè)備體積將保持不變。容器的體積越大，發(fā)電設(shè)備占據(jù)電池整體的體積越小。
然而液體電極電池的確還存在一些潛在的缺陷。研究人員也僅僅是剛著手設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，他們需要設(shè)計(jì)出一種更加高效泵入材料，而且低成本生產(chǎn)的方法。不僅如此，將充電汽車燃料箱重新注滿燃料需要安裝新的基礎(chǔ)設(shè)施，因此耗資數(shù)目不容小覷。
美研發(fā)半液態(tài)電池 電動(dòng)車或迎新發(fā)展
電動(dòng)汽車充電電池由于自身體積大、重量沉、造價(jià)高，已成為制約該行業(yè)發(fā)展的瓶頸。例如，尼桑Leaf電動(dòng)車2/3的電池只起到支撐結(jié)構(gòu)的作用，并未產(chǎn)生能量，而這些材料比實(shí)際發(fā)電的部分造價(jià)更高。因此，如果這些“無(wú)用重量”可參與到能量供應(yīng)中，汽車充電電池的效率將大幅提高。
日前，美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授蔣業(yè)明及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種名為“劍橋原油”的材料，有望解決這一難題。
該材料呈現(xiàn)黝黑色，外觀與原油相似。在普通充電電池中，鐵原子通過(guò)電解液或電解質(zhì)粉在兩個(gè)固體電極中運(yùn)動(dòng)，使電子流入與兩電極相連的電線中產(chǎn)生電流。而蔣業(yè)明制造的“劍橋原油”電池，電極是由微小的鋰元素組成，與液體電解液混合在一起，成為類似泥漿狀的流體混合物。電池中同時(shí)存在兩股帶著正負(fù)電荷的“泥漿”，由具滲透性的薄膜隔離開來(lái)。兩股“泥漿”流動(dòng)，在薄膜上相互交換鋰離子，產(chǎn)生電流。要對(duì)電池充電，可外接一個(gè)電源使這些離子通過(guò)薄膜重新回到另外一側(cè)。
蔣業(yè)明預(yù)測(cè)，這種半固體電池單位體積的發(fā)電量比傳統(tǒng)電池要高10倍左右。美國(guó)德雷克塞爾納米技術(shù)研究所Yury Gogotsi教授表示：“這是最近幾年電能儲(chǔ)存領(lǐng)域最令人振奮的發(fā)明?！?
“劍橋原油”半固體電池有三種更換方法。第一，用戶將用過(guò)的液體抽出，注入新的“泥漿”；第二，前往充電站更換；第三，用電對(duì)“泥漿”進(jìn)行充電。前兩種辦法只需幾分鐘即可完成。
一般而言，充電電池是電動(dòng)汽車最重最貴的部分。蔣業(yè)明估計(jì)，新電池的造價(jià)約為250美元每千瓦時(shí)發(fā)電量，因此如果用它代替尼桑Leaf汽車的24千瓦時(shí)電池，將花費(fèi)6000美元，只有目前成本的1/3。此外，蔣業(yè)明還表示：“劍橋原油”電池充滿電一次可供汽車行駛至少300公里，是現(xiàn)在電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的一倍。（1美元約合6.39元人民幣）
紐約能源研究所城市大學(xué)的Dan Steingart說(shuō)：“這是一個(gè)非常偉大的技術(shù)，因?yàn)槿藗兛梢詫?duì)用過(guò)的‘劍橋原油’充電。”但他指出，即使這項(xiàng)技術(shù)可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，但建立充電站則需要很長(zhǎng)時(shí)間。
美研發(fā)三維電極微電池 個(gè)頭小能力強(qiáng)
據(jù)英國(guó)廣播公司（BBC)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家制造出一種擁有三維電極的新式“微電池”模型，與目前的商用電池相比，同樣功能的新電池僅為其十分之一，而再充電速度則為其1000倍?？茖W(xué)家們表示，一旦解決安全問(wèn)題，新電池將有望變革消費(fèi)電子設(shè)備和汽車的充電方式。相關(guān)研究將發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。
電池內(nèi)有三個(gè)元件：分別位于電池兩端的陰極和陽(yáng)極以及作為“橋梁”的電解液。最新研究的突破主要在于，科學(xué)家們?cè)谖⒊叨壬蠈㈥?yáng)極和陰極整合在了一起。
他們首先制造出一個(gè)由細(xì)小的聚苯乙烯球組成的網(wǎng)格；接著用金屬填滿球內(nèi)外；再將球溶解，留下一個(gè)三維的金屬支架，并在該金屬支架上添加了一個(gè)鎳—錫合金陽(yáng)極和氫氧化錳礦物質(zhì)陰極；最后，將該裝置依附到一塊玻璃的表面，并將玻璃表面沒(méi)入300攝氏度的液體（作為電解質(zhì)）中。
研究負(fù)責(zé)人、伊利諾伊大學(xué)的威廉姆·金教授表示：“陰極和陽(yáng)極距離非常近，使得位于電池兩極用來(lái)發(fā)生反應(yīng)的離子和電子不需要行進(jìn)很遠(yuǎn)，因此能更快產(chǎn)生能量。而且，最新技術(shù)可以擴(kuò)展，可以將電池做得比較大?！?
金指出，盡管智能手機(jī)和其他電子設(shè)備已從微電子學(xué)受益良多，但電池領(lǐng)域的進(jìn)展卻伐善可陳，最新研究改變了這一現(xiàn)狀。同樣功能的新電池的“個(gè)頭”僅為原電池的十分之一，新電池可用在汽車內(nèi)。
其他電池專家對(duì)新研究樂(lè)見其成，但他們也擔(dān)心，安全問(wèn)題或許會(huì)成為其市場(chǎng)化的“絆腳石”。
英國(guó)劍橋大學(xué)化學(xué)系的克萊爾·格雷教授表示：“挑戰(zhàn)在于制造出一個(gè)足夠穩(wěn)固的微電池陣列，通過(guò)一個(gè)成本低廉且可不斷擴(kuò)大的過(guò)程，使整個(gè)電池陣列不出現(xiàn)一次短路?！迸＝虼髮W(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)和能源領(lǐng)域的專家皮特·愛(ài)德華茲也指出：“最新研究證明了我們可以獲得很高的能量密度，但問(wèn)題在于如何擴(kuò)大規(guī)模以便進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)找到更簡(jiǎn)單的制造方法并解決安全問(wèn)題。我并不知道這種微電池是否容易自燃，鈷酸鋰電池就存在這一問(wèn)題?！?
金承認(rèn)，因?yàn)槟壳笆褂玫囊后w容易自燃，安全問(wèn)題確實(shí)存在。他表示，測(cè)試設(shè)備使用的液體很少，這就使發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)微乎其微，但如果電池被做得很大，危險(xiǎn)可能會(huì)隨之增加。但他計(jì)劃改用更安全的聚合物電解液來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，希望今年年底前，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)為電子設(shè)備和汽車供電。
研究使用離子液體作為碳前驅(qū)體修飾電極材料
Li4Ti5O12作為鋰離子電池的負(fù)極材料，主要缺點(diǎn)在于電子電導(dǎo)能力太差，純Li4Ti5O12的電導(dǎo)率小于10-13 S/cm，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)只有10-9 –10-13 cm2 s-1，導(dǎo)致倍率性能不佳，從而限制了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。因此研究者們從降低Li4Ti5O12顆粒尺寸和表面包覆兩方面來(lái)對(duì)Li4Ti5O12進(jìn)行改性。降低顆粒才尺寸能夠縮短鋰離子的擴(kuò)散距離，因此電極材料的電化學(xué)活性或倍率性能可以得到提高；表面包覆能夠提高表面電導(dǎo)率，促進(jìn)電極材料間的接觸。目前報(bào)道的對(duì)Li4Ti5O12表面包覆的方法雖然能夠提高倍率性能，但是大多數(shù)方法過(guò)程復(fù)雜或者需要在高溫條件下才能實(shí)現(xiàn)(＞600 ℃)。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室胡勇勝課題組首次使用離子液體作為碳的前驅(qū)體，對(duì)多孔Li4Ti5O12的進(jìn)行表面包覆。與傳統(tǒng)的固態(tài)碳源前驅(qū)體相比，離子液體由于具有流動(dòng)性質(zhì)更容易深入多孔材料中，而且在較低的蒸汽壓下，裂解溫度范圍較寬 (400-1000 ℃)，也不伴隨快速的溶劑蒸發(fā)，這些都有利于在顆粒表面形成均勻的包覆薄層。此外，通過(guò)選擇不同類型的離子液體還可以調(diào)節(jié)包覆層的組成。因此使用離子液體作為前驅(qū)體，對(duì)于調(diào)節(jié)包覆層和表界面的組成和性質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)對(duì)于材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化尤為重要。
該研究組首先采用以前報(bào)道的噴霧干燥法制得多孔Li4Ti5O12，離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作為前驅(qū)體，使用不同量的離子液體與Li4Ti5O12混合，并在氬氣中600 ℃ 煅燒。通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)，合成的多孔Li4Ti5O12碳包覆層中含有N元素，對(duì)比碳包覆的不含有N元素的多孔Li4Ti5O12，這種N摻雜有利于提高電池的倍率性能。
這種N摻雜碳包覆的多孔Li4Ti5O12之所以表現(xiàn)出極好的倍率性能和循環(huán)性能，主要原因有三：一是表面經(jīng)過(guò)N摻雜碳層的包覆，在提高材料的電子導(dǎo)電性的同時(shí)也有利于提高Li4Ti5O12的表面穩(wěn)定性；二是在Li4Ti5O12與N摻雜碳層之間形成的中間相有利于界面間的電子傳輸；三是在Li4Ti5O12顆粒中形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更有利于鋰離子的嵌入/脫出。
該課題組提出的使用離子液體作為碳的前驅(qū)體來(lái)修飾電極材料，得到的材料表面包覆著均勻的薄薄的N摻雜碳層，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。該合成方法相對(duì)簡(jiǎn)單、有效，可以延伸到其他電化學(xué)器件的電極材料中。研究工作發(fā)表在Advanced Materials期刊上。
液體電池能貯存大量綠色能量
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，當(dāng)科學(xué)家競(jìng)相為筆記本電腦、手機(jī)和其它輕便電子產(chǎn)品開發(fā)越來(lái)越小且越來(lái)越強(qiáng)大的固體電池時(shí)，美國(guó)麻省理工學(xué)院卻截然相反，開發(fā)由液體金屬制成的生態(tài)環(huán)保的大型固定電池組，能貯存大量風(fēng)能或太陽(yáng)能等綠色能源，可以充當(dāng)醫(yī)院等單位的備用電力。
參與開發(fā)此液體電池的麻省理工學(xué)院的科學(xué)家道恩·薩多威說(shuō)：“由于這樣的電池不能用于手機(jī)或汽車?yán)?，因此我們沒(méi)必要要求它們防震和簡(jiǎn)單易行。我們的電池里面沒(méi)有固體材料，沒(méi)有固體電極，沒(méi)有固體薄膜，沒(méi)有任何固體的東西。”
我們知道，任何電池，固體、液體或固液組合電池都只能貯存化學(xué)能。為了貯存化學(xué)能，任何電池得有三部分組成――陽(yáng)極電極、陰極電極和陰陽(yáng)電極之間的膜構(gòu)成。大多數(shù)電池，包括筆記本電腦和電視機(jī)遙控器上使用的電池，都使用固體材料如鋅或鈷鋰充當(dāng)陰極，石墨充當(dāng)陽(yáng)極，液體鹽溶液充當(dāng)電解質(zhì)膜。而此液體電池則不同，其陰陽(yáng)和膜都是液體的，且都是熾熱的熔化的像稀泥似的液體。
在近幾年里，薩多威嘗試了多種不同液體金屬的配方，最先嘗試的配方是熔化的銻和鎂充當(dāng)電極，中間有一層硫化鈉充當(dāng)膜。由于每一種金屬有不同的密度，因此這三種金屬不會(huì)彼此混合，且它們自然地分成三層。如果有意外事件干擾了這些金屬層，它們也將會(huì)因各自重量的不同而再次自動(dòng)分成三層。不過(guò)，薩多威沒(méi)有透露其現(xiàn)有液體電池的具體材料是什么。不管它們是由什么材料構(gòu)成的，這些電池都放在不銹鋼里密封著，大小和汽水飲料罐差不多。像此電池的內(nèi)部材料一樣，此電池的大小也沒(méi)的最后確定下來(lái)。
薩多威說(shuō)：“此電池應(yīng)該很容易按比例擴(kuò)大，如果我們想制造一個(gè)33加侖垃圾桶那么大的電池，我們就能做到。如果我們想制造足球場(chǎng)那么大的電池，我們也能做到。”而且，按比例縮放此電池大小很便宜，且能保持液體金屬處于液體狀態(tài)。目前，此電池必須得加熱到500攝氏度才行，這是標(biāo)準(zhǔn)家用烤箱的最高溫度。
像家用烤箱一樣，液體金屬電池也需要同樣的安全規(guī)程，或許有一天這種液體電池將成為住宅、醫(yī)院和其它永久性建筑的一部分?？茖W(xué)家表示，此電池是貯存風(fēng)能或太陽(yáng)能的理想設(shè)備。而且此全部的液體金屬電池最有可能取代其它的熔化金屬電池（有固體膜介于陰陽(yáng)極之間），如硫化鈉電池，目前用作醫(yī)院的備用電力，或者用作電力調(diào)度者，當(dāng)夜晚用電不緊張時(shí)，此電池從電網(wǎng)用電，而當(dāng)白天處于用電高峰時(shí)，此電池就將能量回輸入電網(wǎng)。不過(guò)，薩多威的這種液體電池還需幾年才能派上用場(chǎng)。
美科學(xué)家用病毒制作鋰離子電池獲得成功
病毒對(duì)于人類的健康和你的技術(shù)的健康都是壞東西。美國(guó)麻省理工學(xué)院正在使用病毒制作鋰離子電池的正極和負(fù)極。
麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種可制作電池的轉(zhuǎn)基因病毒。這種新的方法能夠制造用于汽車和電子產(chǎn)品的更便宜的可充電電池，而且這種電池更環(huán)保。
目前的鋰離子電池在電池的正極和負(fù)極之間傳送離子。三年前，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠利用病毒制作鋰離子電池的一個(gè)正極。這個(gè)正極由氧化鈷和黃金材料組成。這些病毒在涂上氧化鈷和黃金材料之后組成一個(gè)納米線。
現(xiàn)在，這些研究人員在材料科學(xué)、工程和生物工程Germeshausen教授AngelaBelcher的領(lǐng)導(dǎo)下現(xiàn)在能夠利用病毒制作鋰離子電池的負(fù)極部分。能夠利用病毒制作電池的正極和負(fù)極之后就很容易制作電池了。
使用的病毒是常用的不會(huì)感染人類的噬菌體。對(duì)于負(fù)極來(lái)說(shuō)，這些病毒在自己的表面涂上一層磷酸鐵，然后利用碳納米管創(chuàng)造一個(gè)高傳導(dǎo)材料的網(wǎng)絡(luò)。
這個(gè)碳納米管網(wǎng)絡(luò)能夠把電子從電極迅速傳送到磷酸鐵核心以產(chǎn)生能源。通過(guò)創(chuàng)建碳納米管網(wǎng)絡(luò)，電池的傳導(dǎo)性能更好，重量更輕。
這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)要制作更好的具有較高電壓和更大容量的電池。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，負(fù)極的組裝需要使用磷酸錳和磷酸鎳這種材料。這種納米級(jí)電池技術(shù)將為汽車和電子制造商使用電池開辟新的可能性。
