碳納米管大顯身手
近日，美國斯坦福大學的材料科學家崔易和他的同事們，發(fā)明了一種神奇的紙張電池。他們在墨水中添加了單壁碳納米管，這種碳納米管是一種可以導電的管狀物，直徑僅為十億分之一米。隨后，他們將這種墨水涂在普通復印紙表面，并將吸收了含有碳納米管墨水的紙張連接到正負電極上，其中負極由鋰錳氧化物組成，正極既可以由納米粉體的鋰鈦氧化物組成，也可以由覆蓋了硅的碳做內核的納米線體組成。然后將這種電池浸入含有六氟磷酸鋰電解液的溶液中，并密封裝入小袋子中。在這種結構中，納米管可從每一個電極中收集電流。通過使用含有碳納米管的墨水，雪白的普通辦公用紙“搖身一變”成為了有效的電力儲存設備。
這一新技術的主要優(yōu)點在于大大減輕了電池的重量。研究人員曾嘗試了多種方法減輕電池重量，其中包括使用含有薄膜材料的油墨做墨水。最終他們選擇了在墨水中添加碳納米管。
紙張因其多孔的微觀結構能夠很好地吸收墨水，同時造紙技術也已經(jīng)完善。除此之外，紙張還可以取自可再生資源，因此，這項“紙張變電池”的技術就顯得很有意義。美國伊利諾伊大學的材料科學家約翰·羅格說：“這為高端與低端技術的結合提供了一個良好的例證。”
與常規(guī)電池并無兩樣
另據(jù)美國國家科學院院刊提供的信息，這種紙張電池在儲存電力和充電循環(huán)壽命方面與常規(guī)蓄電池并無兩樣。實驗結果顯示，將碳納米管紙與常規(guī)充電電池相結合，最多能夠將電池重量減輕20%。
不要小看這區(qū)區(qū)20%的重量，它不僅可以令制造電動汽車和混合動力汽車變得更加可行，還能夠帶動需要更久待機時間的移動電話、筆記本電腦以及其他一些便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展。麻省理工學院的材料科學家弗朗西斯·斯泰拉奇說：“這種廉價、靈活又輕薄的電池會給便攜式電子產(chǎn)品帶來一場革命。”
該紙張電池的發(fā)明人崔易表示，在更廣闊的領域中，這種電池還能以低廉的價格協(xié)助太陽能、風能電場來儲存所生產(chǎn)的電力。崔易和他的同事們指出，由于碳納米管與紙張結合緊密，不再需要粘合劑，既增強了性能，又顯著降低了生產(chǎn)的成本。另外，這種紙張電池可被任意折疊和卷曲，而不會影響其充電的功能，并且能夠很容易地被壓成薄片裝入電腦，為設備充電。該紙張電池的研究小組還提出，這種電池的技術也極其易于推廣進行批量生產(chǎn)，并且如果需要，甚至可以用刷子來為紙張刷上墨水。
紙張電池并非首創(chuàng)
據(jù)悉，崔易及其研究小組的發(fā)明并非首創(chuàng)，但卻是近年來出現(xiàn)的紙張電池系列中最新的。2007年，紐約倫斯勒理工學院的生物高聚物專家羅伯特·林哈特和他的同事們制造的電池，采用多壁碳納米管與紙張混合作為負極，用鋰金屬薄膜做正極，錫箔片作為電流載體。他們用汗水或是血液作為電解液進行實驗，希望以此證明這種紙張電池可以植入生物體。
瑞典烏普薩拉大學的納米科學家瑪麗亞·斯特洛美等人也用海藻生產(chǎn)的紙張制造了電池。由于這種紙張的表面積是木制紙張的100倍，因此能夠承載更多的電量。
但是，新型紙張電池的缺點是其電阻過大。研究數(shù)據(jù)表明，這種電池的電阻是采用金屬薄片做電流載體的常規(guī)電池的10倍甚至更多，這會減緩電流的傳輸。但是崔易表示，他們在設備中加入了金屬納米線降低電阻。
影響這些發(fā)明的另一個主要原因是目前碳納米管昂貴的價格。不過崔易認為，隨著產(chǎn)量的上升，碳納米管的價格將會慢慢下降。
背景鏈接
碳納米管（Carbon nanotubes）又名炭黑。與金剛石、石墨、富勒烯一樣，是碳的一種同素異形體。
碳納米管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨率分析電鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。
