每塊電池上的黑色方塊就是砷化鎵，使用如此少量的昂貴材料可以降低成本。
由于要處理的樣品太多，野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司非常依賴自動化。圖中的分析儀正在對裝有材料的小瓶進行稱重和記錄。
編者按
從2001年開始，美國《Technology Review》以其在科技領(lǐng)域的專業(yè)性、權(quán)威性和全面性，以“這項技術(shù)能否改變世界”作為選擇的終極準則，連續(xù)11年對全球新興技術(shù)的發(fā)展進行觀察，每年選擇出10項有望為人類社會帶來重大影響的科學(xué)技術(shù)。
通常情況下，這些新興技術(shù)可以分為計算、網(wǎng)絡(luò)、能源、生物醫(yī)學(xué)幾大類。然而，隨著全球能源需求的加劇和全球能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，能源及其相關(guān)領(lǐng)域在這些可能對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生重大影響的發(fā)明中占據(jù)著越來越重要的地位。
在2010年，10大新興技術(shù)以IT領(lǐng)域的發(fā)明為主，而能源領(lǐng)域僅有太陽能燃料和光捕捉式光伏發(fā)電技術(shù)入圍。在2011年，10大新興技術(shù)以生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明為主，而能源領(lǐng)域僅有智能變壓器和固態(tài)電池技術(shù)入圍。如今，2012年的10大新興技術(shù)中能源及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)位占其三。
不難看出，能源問題對人類社會的影響力已日趨加深，能源技術(shù)也將是最有可能改變世界的突破口。
這10項新興技術(shù)都具有著改變世界的巨大潛力，也都是人類一直以來所面臨的大問題，其中有的來自行業(yè)研究者，有些則是在大學(xué)研究中取得的進展，但他們都在2012年取得了突破性的進展。
眾所周知，新興技術(shù)具有創(chuàng)造新行業(yè)和改變已有行業(yè)的潛力。如何以科技創(chuàng)新推動全球經(jīng)濟的新增長是當(dāng)下各大科技企業(yè)迫在眉睫需要解決的問題。因此，促進新興技術(shù)的商業(yè)化和資本化發(fā)展已經(jīng)成為各大企業(yè)和各個國家獲取競爭能力的重要手段。在能源領(lǐng)域內(nèi)，新興技術(shù)不僅為能源產(chǎn)業(yè)帶來了機遇和挑戰(zhàn)。同時，能源技術(shù)的發(fā)展必將成為未來新興技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。
未來世界中的能源結(jié)構(gòu)應(yīng)該是百花齊放的，在風(fēng)能和太陽能等清潔新能源的進一步發(fā)展下，對于化石燃料的清潔利用、碳捕集技術(shù)、頁巖氣等傳統(tǒng)能源的利用方式以及降低能耗也將是繼續(xù)研究的方向。我們期待著：這些能影響人類社會發(fā)展的新興技術(shù)可以早日應(yīng)用到日常的人類生產(chǎn)生活中，讓未來的世界變得更美好。
現(xiàn)在來了解一下，在2012年中有哪些能源及相關(guān)領(lǐng)域的新興技術(shù)最具潛力。
超高效太陽能
塞木普銳斯公司是一家新創(chuàng)業(yè)的公司，主要制作微小型太陽能電池，這些電池能夠捕捉聚焦的太陽光，而無需昂貴的冷卻系統(tǒng)。就是這家公司在太陽能領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)造了一項重要紀錄：該公司發(fā)明的太陽能電池板可以把近34%的入射太陽光轉(zhuǎn)化為電能。一旦這項技術(shù)得以規(guī)?；瘧?yīng)用，其產(chǎn)生的能效將會非常高。在一些地方，其發(fā)電成本很可能會下降到足以與化石燃料發(fā)電相競爭的水平。
通常在安裝太陽能發(fā)電裝置的時候都需要耗費大量的固定成本，例如用來安放太陽能電池板陣列所需的大面積土地。因此，一些研究人員在考慮如何降低太陽能發(fā)電成本時，都在試圖最大限度地提高每一塊太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率。研究人員嘗試著各種各樣的方法，包括使用硅以外的半導(dǎo)體材料來制作太陽能電池板。
在早些時候，阿爾塔設(shè)備公司曾使用一種名叫砷化鎵的高效材料來制造柔韌的太陽能電池片。相對于硅，砷化鎵能夠更好地將光能轉(zhuǎn)化為電能。受此啟發(fā)，塞木普銳斯公司也使用了砷化鎵材料。然而，這種材料的價格比硅的價格貴得多（見下左圖）。
公司聯(lián)合創(chuàng)始人、伊利諾斯大學(xué)化學(xué)和工程學(xué)教授約翰·羅杰斯一直在研究某種裝置的制造工藝從而可以解決成本問題。他找到了一種方法：將太陽能電池板內(nèi)的單個光吸收裝置，縮小至僅為600微米寬、600微米長和10微米厚后。在一塊砷化鎵晶片上構(gòu)筑這種小電池，使用化學(xué)蝕刻和機器人系統(tǒng)，把每一層轉(zhuǎn)移到一種廉價的基質(zhì)上。這樣，同一個砷化鎵晶片可重復(fù)使用多次。生產(chǎn)出來的太陽能電池模塊包含數(shù)百個微型太陽能電池，每個電池的寬度相當(dāng)于圓珠筆畫出的一條線，這些電池排列在透鏡下，透鏡可聚集大約1100倍太陽光。
雖然聚光太陽能電池組件使用了新的半導(dǎo)體材料，但它們通常還需要昂貴的光學(xué)器件、冷卻系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)，使它們保持一直朝向著太陽。面對這些問題，塞木普銳斯公司的微型太陽能電池，從本質(zhì)上所產(chǎn)生的熱量就很少，根本無需冷卻，因而進一步削減了成本。同時，這種模塊中的太陽能電池包含三層砷化鎵，每層都經(jīng)過改進，可以把不同部分太陽光譜轉(zhuǎn)換成電能。規(guī)避了硅太陽能電池只能有效地吸收窄頻段太陽光的弊端。此外，他們還將模塊安裝在雙軸跟蹤器上，以保證可以總是面向太陽。
公司技術(shù)副總裁斯科特·伯勒斯表示，在未來幾年內(nèi)，使用其系統(tǒng)的公用事業(yè)公司應(yīng)該能夠?qū)㈦妰r維持在8美分/千瓦時。根據(jù)美國能源信息署的數(shù)據(jù)顯示，上述電價比美國的平均零售電價還要低。
當(dāng)然，這種太陽能電池也受到了使用透鏡聚光的制約：只有在晴朗無云的天氣，電池吸收直射陽光時，系統(tǒng)的工作效率才會達到最佳狀態(tài)。而在其他任何條件下，電能生產(chǎn)則會大幅下降。
目前，該公司已經(jīng)從風(fēng)險投資公司和西門子公司籌集了4400萬美元資金，計劃在北卡羅來納州開辦一家小型工廠，該工廠每年制造的太陽能電池板足夠輸出6000千瓦電能。公司希望能在2013年年底將電能產(chǎn)量增加至3萬千瓦，但要實現(xiàn)這一目標(biāo)，公司還需籌集到一筆數(shù)額可觀的資金。
太陽能微電網(wǎng)
在印度，有近4億生活在農(nóng)村的人享受不到電網(wǎng)電力的服務(wù)。對他們而言，僅為手機充電就要長途跋涉到設(shè)有充電亭的鎮(zhèn)上，而家里用來照明的工具則是煤油燈。
為了改變這一局面，尼基爾·賈斯哈尼和布萊恩·沙德共同創(chuàng)辦了梅拉高電力公司。該公司利用太陽能電池板和發(fā)光二極管成本下跌的時機，建立并運營了能夠提供清潔照明和手機充電服務(wù)的廉價太陽能微電網(wǎng)。
微電網(wǎng)可以將一個相對較小的發(fā)電站所發(fā)出的電能在一個有限的區(qū)域內(nèi)進行配送。當(dāng)然，像單個太陽能燈之類的備選解決方案也能夠提供照明及手機充電，但微電網(wǎng)的優(yōu)勢在于其安裝的成本可以由當(dāng)?shù)卮迕駚矸謹偂４送?，該系統(tǒng)使用的是效率更高、規(guī)模更大的發(fā)電及儲電系統(tǒng)，這樣可以降低運行的成本。
只需花費2500美元，分成15個小組的100戶村莊家庭就能連接到兩個發(fā)電樞紐站。每個發(fā)電樞紐站由一組太陽能電池板和一個電池組構(gòu)成。微電網(wǎng)自始至終都使用24伏的直流電源，因此該系統(tǒng)可以使用鋁線連接，替換了價格較貴的銅線，而銅線更適用于電壓更高的交流配電系統(tǒng)。在鋪設(shè)微電網(wǎng)之前，梅拉高電力公司要對村莊的地形進行繪制，以確保配電線路的分布最有效。賈斯哈尼說：“制圖和設(shè)計是我們最大的創(chuàng)新。”
這些偏遠村莊的每戶家庭如果每月預(yù)付100盧比（約2美元）的費用，每天晚上就能獲得0.2安培的電量，可連續(xù)使用7小時，足夠點亮兩盞發(fā)光二極管燈和為一臺手機充電。而每月的煤油燈和在充電亭為手機充電的費用通常在100到150盧比不等。
梅拉高電力公司所部署的第一個商業(yè)性微電網(wǎng)成功運營之后，又有8個較偏遠的村莊加入了這個項目。在得到美國國際開發(fā)署30萬美元的資助后，該公司計劃于今年再完成至少40個村莊的微電網(wǎng)架設(shè)工作。
梅拉高電力公司的成功鼓勵了其他企業(yè)進軍印度市場，提供離網(wǎng)型的可再生能源?？偛课挥谌A盛頓的世界資源研究所估計，印度離網(wǎng)型可再生能源市場的規(guī)模可達每年20億美元。
賈斯哈尼表示，梅拉高電力公司的微電網(wǎng)并不是電網(wǎng)電力的替代品，但它卻是當(dāng)下印度普通人想要的且支付的起的服務(wù)。目前，這項技術(shù)只能支持照明和手機充電，但該公司正在探索其他的用途，譬如建立社區(qū)娛樂中心，把電視、廣播、風(fēng)扇及信息服務(wù)的成本也由一組家庭來分攤，改變過去由單個用戶承擔(dān)的模式。
高速篩選電池材料
有了使用新材料制成的電池，可以延長電動汽車的行程，可以保證智能手機使用更強大的處理器和更炫目的屏幕。美國加利福尼亞州圣迭戈的野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司（Wildcat Discovery Technologies）一直從事有關(guān)高速篩選的業(yè)務(wù)，并正在開發(fā)一種新的自動化方法，用于高速篩選出制造電池電極的新材料。
這家公司正通過逐一測試數(shù)千種物質(zhì)，來加速識別出有價值的能源存儲材料。此前，他們對外公布了一種磷酸鈷鋰陰極，在普及型的鋰離子磷酸鹽電池中，比通用陰極能多提升超過25%的能量密度。該公司同時還展示了一種可以讓電池在較高電壓下更穩(wěn)定工作的電解液。
如何為電池選擇一種理想的材料一直是一個特別棘手的難題。我們知道，電池裝置有三大主要組件：陽極、陰極和電解液。不僅每個組件都是由很多種物質(zhì)混合形成，而且三者之間還必須協(xié)同良好。這就給研究人員留下了無數(shù)種尚待開發(fā)的具有潛力的組合方式。
為了使研究人員能夠快速整理出材料的組合方式，野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司采用了一種最初應(yīng)用在藥物開發(fā)實驗室中的方法：高通量組合化學(xué)法。利用這種方法，他們告別了過去一次只測試一種材料的模式，而是系統(tǒng)化地平行開展數(shù)千項測試。該公司的首席執(zhí)行官馬克·格雷瑟爾說：“我們在一個星期內(nèi)，分析和測試出近3000種材料組合，同時已經(jīng)找到了能夠?qū)⒛芰棵芏忍嵘?倍的材料。”
為了避免實驗中發(fā)現(xiàn)的理想材料不適用于具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)流程。野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司找到了利用大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的縮微版來制造樣品的方法。在實施中，在對候選材料的性能進行測試的同時，也對它們是否便于制造進行測試。除此之外，野貓公司還在各式各樣的潛在運行條件下，將材料組件連在一起組裝成實際的電池進行測試（見下右圖）。
格雷瑟爾說：“包括溫度和電壓在內(nèi)的很多變量都會對電池性能構(gòu)成影響，我們必須檢驗所有這些變量。”其高速篩選的方法最終取得了喜人的成果：在試驗臺上表現(xiàn)優(yōu)異的材料，拿到生產(chǎn)現(xiàn)場檢驗也同樣出色。
野貓發(fā)現(xiàn)技術(shù)公司始建于2006年，已籌到1650萬美元的風(fēng)險基金。公司創(chuàng)始人彼得·舒爾茨是斯克里普斯研究所教授，也是高通量組合化學(xué)法的開拓者。目前，該公司靠與大型電池生產(chǎn)商合作的40多個研究項目獲得收益。
如今，公司正在生產(chǎn)檢測批次的新材料，希望把這項技術(shù)授權(quán)給材料和電池公司，但這些材料的耐用性還有待提高。經(jīng)過150個充電周期后，這些電極材料的容量就會下降20%。要用于便攜式電子產(chǎn)品，這種電池需要持續(xù)使用數(shù)百個周期。用于電動汽車，電池必須保持80%的存儲容量，使用數(shù)千個周期。
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