美國萊斯大學開發(fā)出噴涂式鋰離子充電電池

美國得克薩斯州休斯敦市萊斯大學(Rice University) 的研究人員近日開發(fā)出用噴涂工藝制造大面積鋰離子充電電池的技術，“可在幾乎所有物體的表面上形成電池”（萊斯大學）。相關論文已發(fā)表在學術雜志《Nature》上。

該鋰離子充電電池由5 層薄膜構成，全部采用噴涂工藝形成。第一層為正極的集電體(CC)層，由碳黑與常用的極性溶劑甲基吡咯烷酮混合后再加入單層碳納米管(SWNT)的材料構成。第二層為正極材料層，由鈷酸鋰與石墨粉末的混合材料構成。第三層為隔膜層，由聚偏氟乙烯(PVDF)類樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(PMMA)、SiO2粉末的混合材料構成。第四層為負極材料層，由鈦酸鋰與石墨粉末的混合材料構成。第五層為負極的CC 層，由銅粉分散于乙醇中的“涂料” 構成。CC 層以外的各層厚度為100～150 μm。 開發(fā)中難度最大的是隔膜層。最初開發(fā)的隔膜層耐久性較差，與正極的SWNT 一接觸就會損壞。最后通過在隔膜層中加入PMMA，大幅提高了耐久性。

研究人員把普通鋰電子電池里的集電體、正極、負極和兩極之間的聚合物隔離層等5 個組成部分變成液體，然后通過噴槍把這些液體噴涂在玻璃片、不銹鋼薄板、釉面瓷磚甚至啤酒杯上。在其中一個實驗里，研究小組把噴涂電池噴在9 塊瓷磚上，然后把這9 塊瓷磚連接起來，其中一塊瓷磚接上太陽電池，并以實驗室的白燈管照射，用太陽電池輸出的電力為這組瓷磚電池充電。在電池充滿電后，這9 塊瓷磚接上一組40 顆發(fā)光二極管(LED)，以2.4 V 的電壓使排列出“RICE”文字的LED 串燈點亮了6 個小時。

研究小組對這些電池進行了60 次的充電放電測試，證明電池的容量在經(jīng)過多次充電及放電后只“下降了一丁點”。

研究小組把噴涂電池形容為“電池設計的范式改變”，或許能為太陽能領域帶來新發(fā)展。該電池的開發(fā)人員之一、論文第一作者Neelam Singh 表示：“以涂覆工藝制造的太陽電池和此次的噴涂型鋰離子充電電池是能源采集的最強組合。我們可以在這種瓷磚電池的表面安裝太陽電池，然后把這種瓷磚鋪在建筑物的表面。這么一來，這些瓷磚就可以吸收太陽能，把太陽能轉(zhuǎn)換成電力，并儲存這些電力?！?/p>

不過，噴涂電池有一個致命弱點：其液體使用有毒、易燃和腐蝕性的電解質(zhì)，而且必須在干燥和無氧環(huán)境中噴涂，這大大限制了它在實際生活中的應用。研究小組正積極解決這一問題，希望讓噴涂電池早日變成人人都可以使用的電池。

日本研究出提升鋰空氣電池效率的新技術

金屬空氣電池是下一代電池發(fā)展的重要方向，其原理為利用金屬與空氣中的氧氣發(fā)生反應而放電。理論上鋰空氣電池的容量可以三倍于普通鋰離子電池。不過，鋰空氣電池在反應時很容易吸收空氣中的CO2，而CO2會導致電解液的劣化和電池性能的下降。日本中央大學教授大石克嘉最近成功研究出能有效消除鋰空氣電池中CO2成分的技術，大幅提升了這種電池的性能。

該技術是在直徑約5 mm 的硅棒或銅棒外包裹兩層金屬薄膜材料，其內(nèi)層為氧化硅或氧化銅，外層為用以吸收CO2的氧化鋰。氧化鋰通電后溫度上升至700 ℃，將CO2釋放到外界。利用這種裝置，基本上可以去除空氣中含量僅為0.04%的CO2。通過外層氧化鋰對CO2成分的不斷吸收和放出，電池就可反復高效使用。

大石教授希望用半年到一年的時間把裝置的直徑減小到1 mm 左右，實現(xiàn)裝置的小型化和實用化。他還計劃把該裝置加工成螺旋狀，通過加大其表面積從而更加有效地吸收CO2。

美國研發(fā)新技術提高鋰離子電池性能

美國萊斯大學和洛克希德馬丁公司的研究人員宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種通過單晶硅體提高鋰離子電池性能的技術。這項技術可以用于電動汽車電池研發(fā)，有助于生產(chǎn)能量更強、壽命更長、充/換電循環(huán)次數(shù)更多的新型電池。

將傳統(tǒng)電池中的石墨替換為單晶硅體是該技術的關鍵步驟。與普通電池相比，使用這項技術生產(chǎn)的新型鋰離子電池容量更大，另外一項實驗證明，單晶硅體吸收鋰的能力是石墨的10 倍。這就意味著，如果這項技術進入商業(yè)化生產(chǎn)階段，電動汽車搭載的鋰電池性能和壽命都將得到極大提升。

這項技術是由萊斯大學化學和生物分子工程學院的助理教授Sibani Lisa Biswal 主持的，研究結(jié)果發(fā)布在美國化學學會主編的《材料化學》雜志的網(wǎng)站上。據(jù)悉，該新電池的技術研發(fā)工作獲得了美國洛克希德馬丁公司高端納米研究中心的支持。洛克希德馬丁是美國航空航天制造商，也是目前全球營業(yè)額最大的國防工業(yè)承包商。

韓國開發(fā)出新一代電動車高性能鋰空氣電池

韓國漢陽大學能源工程學教授宣良國率領的研究小組近日宣布，開發(fā)出續(xù)航時間達到現(xiàn)有電動車電池5 倍左右的新一代電動車高性能鋰空氣電池。新研發(fā)的電池不僅價格低廉，而且質(zhì)量較輕，這無疑將對電動車的實用化做出新貢獻。

該研究小組用碳代替過去制造電池使用的鎳、鈷等金屬開發(fā)出鋰空氣電池。由于把幫助鋰離子往返陰陽兩極的電解質(zhì)換成醚系列的新物質(zhì)，因而提高了效率。宣良國教授表示：“鋰空氣電池用質(zhì)量輕的碳代替沉重而價格昂貴的金屬，因此大大降低了電動車的質(zhì)量和成本。新電池一個單位的能源含量達鋰離子電池的10～11 倍，電動車電池包的性能則提高4～5 倍?！?/p>

目前，電動車充電一次可行駛的最長距離是160 公里左右，而該研究小組開發(fā)出的電動車電池充電一次能往返首爾至釜山約820 公里。宣良國教授說：“如果未來能開發(fā)出用于這種電動車的成熟電極，并防止空氣中的水分和二氧化碳從兩極進入的技術，5年后這種電池就能實現(xiàn)商用化?！?/p>

麻省理工學院發(fā)現(xiàn)蝕刻圖案能大幅降低太陽電池硅用量

高純度硅占太陽電池的總成本多達四成，如何用最少量的硅發(fā)揮最高效率，成為太陽電池制備的重中之重。美國工程院院士、麻省理工學院機械工程系教授陳剛領導的研究小組找到了一種新方法，可以在保持電池高效率的同時，將硅片的厚度減少90%以上，從而大幅降低薄膜太陽電池生產(chǎn)成本。相關研究報告發(fā)表在近期出版的《納米快報》雜志上。

研究人員稱，這一途徑的秘密在于蝕刻在硅表面的微型倒金字塔圖案。他們使用了兩束重疊的激光束，以便在沉積于硅之上的光刻膠的表面生成特別的微小刻痕。經(jīng)過幾個中間步驟后，氫氧化鉀可溶解未被光刻膠覆蓋的表面部分，從而在材料表面產(chǎn)生了倒金字塔圖案。每個倒金字塔型壓槽的直徑不超過1 微米。這種特殊的“織物”結(jié)構僅僅使超薄硅晶體的表面積增加70%，光子吸收能力卻堪比30 倍厚的傳統(tǒng)硅晶體。這種可有效提升薄膜太陽電池效能的新方法有望作用于任意硅基電池。

這項技術在保證硅晶體效率的前提下大大削減了高純度硅的使用量。它不僅有望大幅度減少生產(chǎn)成本，而且會減輕電池自重，并因此節(jié)約所需的電池用料，有效降低薄膜太陽電池的材料成本和安裝成本。此外，新技術所使用的設備和材料也是現(xiàn)有硅芯片處理標準零件，因此無需更新制造設備，從而使制造的難度大大降低，將來容易實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

迄今為止，研究團隊只進行了制造新型太陽電池的第一步，即基于硅片生產(chǎn)了具有蝕刻圖案的表面，并借助俘獲的光線證實了它的效能提升；下一步則需要增加組件以生產(chǎn)真實的光伏電池，并證明它的能效可與傳統(tǒng)太陽電池相媲美。如果一切順利，新系統(tǒng)可在不遠的未來實現(xiàn)商用化，制造出更經(jīng)濟的薄膜太陽電池，而超薄的設計也將使其應用范圍更加廣泛。

日本新技術使太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提高一倍

日本京都大學的一個研究團隊在英國《自然·光子學》網(wǎng)絡版上發(fā)表文章稱，他們研制了一種特殊的濾膜，能使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率相對于目前普遍水平提高一倍以上。

據(jù)日本《朝日新聞》網(wǎng)站報道，目前最普及的硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率一般在20%左右，經(jīng)技術改良達到30%已經(jīng)很不容易。這是由于太陽光包含各種不同波長的光，而硅能夠吸收并轉(zhuǎn)換為電能的只是某些特定波長的光。

京都大學電子工程學教授野田進及其同事開發(fā)出一種濾膜，它只允許在目前技術條件下能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、有特定波長的光穿過并照射太陽電池，從而提高光電轉(zhuǎn)換的實際效率。這種濾膜由兩張鋁鎵砷半導體膜夾一張6.8 納米厚的砷化鎵半導體膜制成。當陽光透過這種濾膜再照射太陽電池后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率可提高到40%以上。

美國研制液態(tài)甲醇燃料電池

美國航天局下屬噴氣推進實驗室日前宣布，該機構與南加州大學合作，研制出一種利用液態(tài)甲醇產(chǎn)生電能的燃料電池，這項技術將為進一步開發(fā)和推廣清潔能源開辟新途徑。

噴氣推進實驗室發(fā)布新聞公報稱，與其他燃料電池相比，這種“直接甲醇燃料電池”在發(fā)電時不需要添加任何燃料，也不排放任何污染物，其發(fā)電副產(chǎn)品為水和二氧化碳，如此生成的電能相對更清潔。此外，直接甲醇燃料電池還具有設計簡單和能量密度高等特點。

公報說，目前使用的一些燃料電池主要以氫為能源，但氫難以儲存和運輸，而直接甲醇燃料電池克服了這一缺點。

這項研發(fā)得到了美國國防高級研究計劃局的長期資助。參與這項技術研發(fā)的噴氣推進實驗室前電子化學技術小組主管杰拉德·哈爾伯特說，這種燃料電池今后有望用于國防、軍工行業(yè)及商業(yè)領域，市場前景廣闊。

碳納米管-石墨復合物有望用作燃料電池的高活性電催化劑

美國斯坦福大學由戴宏杰博士率領的研究小組不久前宣布，已經(jīng)驗證了部分解壓縮的碳納米管在酸性和堿性溶液中具有氧還原電催化劑的能力，有望替代燃料電池和金屬空氣電池所使用的催化劑鉑。這項成果已在《自然納米技術》雜志上報道。

在實驗過程中，少壁碳納米管的外壁被部分解壓，創(chuàng)建了依附在內(nèi)管（碳納米管-石墨復合物）上的納米尺寸的石墨薄片。這類石墨薄片中含有極少量的鐵以及氮雜質(zhì)，這有利于催化活性中心的形成及提高催化劑的活性。與此同時內(nèi)壁保持不變，并保留其導電性，這有利于電催化過程中的電荷運輸。因而，新研制的碳納米管除了有很高的活性外，也具有良好的導電性。而使用單壁碳納米管就不會有這一優(yōu)勢，因為壁損壞會使電性能降低。

人們通常采用鉑作為燃料電池的高活性氧還原反應催化劑，但是鉑金非常昂貴，難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。由含有鐵或鈷之類的金屬及氮雜質(zhì)的碳負載材料，能增加可擴展性和降低成本，但這些替代品通常在使用過程中會逐步降低活性。

斯坦福大學的研究人員認為，碳納米管的催化活性非常接近鉑，設計的高活性和穩(wěn)定性使它有望成為燃料電池催化劑的候選品。

研究人員已制造出用于燃料電池的碳納米管催化劑實驗樣品并通過測試。多壁碳納米管也有可能用于由鋰或鋅制取的金屬空氣電池。

擁有納米尺寸石墨薄片（白斑）的碳納米管受損的外壁，石墨薄片有利于鐵（黃色）和氮原子（紅色）形成催化活性中心，該催化劑可使氧還原為水。

東芝推出停電時也可使用的燃料電池

日本東芝公司近日通過日本全國的燃氣公司出售其燃料電池“Ene-Farm TM 1-AD”。據(jù)了解，“Ene-Farm TM 1-AD”為全球首款在停電時也可使用的燃料電池。雖然燃料電池是利用燃氣進行發(fā)電的，但此前的燃料電池為了發(fā)電還需借助外部的電力。而東芝公司此次推出的新款機型“Ene-Farm TM 1-AD”即使在停電的情況下也能自行發(fā)電，最大可持續(xù)供應700 瓦的電力?！癊ne-Farm TM 1-AD”的價格將由各燃氣公司自行決定，估計每臺售價在300 萬日元左右。

沃爾沃汽車公司啟動燃料電池開發(fā)項目

繼C30 電動車之后，沃爾沃汽車公司正在采取新的步驟發(fā)展下一代電動汽車技術。在瑞典能源局的支持下，沃爾沃公司啟動了燃料電池開發(fā)項目，以增加電動車無二氧化碳排放的行駛里程。開發(fā)的目標是研制出兩種基于沃爾沃C30 DRIVe 電動車的原型車底盤，并于今年內(nèi)進行日常交通條件下的試驗。

沃爾沃汽車在全球推出了“DRIVe綠色駕控戰(zhàn)略”，不久前，這項戰(zhàn)略也被引入到中國。而沃爾沃C30 電動車正是“DRIVe 綠色駕控戰(zhàn)略”的一個重要里程碑，也是駛向“零排放”未來的重要步驟。如今燃料電池研究的啟動深化了這一戰(zhàn)略，使沃爾沃再次走在了環(huán)保新能源技術的前列。

沃爾沃汽車公司總裁兼首席執(zhí)行官斯蒂芬·雅克布說：“燃料電池的開發(fā)是沃爾沃汽車電氣化戰(zhàn)略的一次令人振奮的拓展。在蓄電池的成本和體積的制約下，純電動汽車目前的行駛里程仍然比較有限。燃料電池可能是增加電動汽車行駛里程的一個重要途徑。此外，該項目還能使我們進一步掌握有關燃料電池和氫氣的更多知識?！?/p>

在這個項目中，沃爾沃汽車公司將與瑞典Powercell 公司進行合作。第一階段是對稱之為“里程延長器”的裝置進行初步研究，該裝置包括燃料電池和一種轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的作用是分解汽油并生成氫氣。在燃料電池內(nèi)，氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，用來?qū)動汽車的電動機。由于流程效率很高，與傳統(tǒng)汽車相比，二氧化碳排放顯著減少。該技術還可適應可再生燃料。

這項技術預計可在汽車電池組提供的里程基礎上將電動車的行駛里程增加250 公里。燃料電池行業(yè)期待通過改進技術和大批量生產(chǎn)來不斷降低成本，提高效率。

在第二階段，有賴于瑞典能源局的支持，沃爾沃汽車公司和Powercell 公司將以目前的沃爾沃C30 DRIVe 電動車為基礎生產(chǎn)兩部試驗用車。

斯坦福大學研制低成本高效率電池材料

能源公用事業(yè)公司正致力于尋找一些電池，以有助于穩(wěn)定電網(wǎng)。但是，現(xiàn)有電池用于電網(wǎng)級存儲，不是太昂貴，就是不能持續(xù)所需的數(shù)千次循環(huán)?，F(xiàn)在，斯坦福大學的研究人員已經(jīng)演示了一種高效納米材料的電池電極，能持續(xù)40 000 個充電周期，不會明顯喪失電荷存儲容量。這項工作的領導者是斯坦福大學材料科學與工程教授崔毅，他說，這種電極有望制成新型低成本電池，適于存儲大量電網(wǎng)電力。

崔毅的新電池使用鈉或鉀等廉價豐富的材料，在電極之間移動鈉或鉀離子，進行充電和放電，其原理與鋰離子電池一樣，但它做得更便宜?！耙⒕W(wǎng)儲電，電池就要很大，使用鈉和鉀很有吸引力，因為它們是如此豐富而廉價。”崔毅說。這些電池將使用水性電解液，更便宜也更容易使用，勝過鋰離子電池使用的有機溶劑型電解質(zhì)。

研究人員首先采用普魯士藍(Prussian Blue)顏料，就是一種鐵和氰化物。他們用銅代替一半的鐵，用所產(chǎn)生的化合物制成結(jié)晶納米粒子，再把這些粒子涂到布狀碳基質(zhì)上。然后，他們把這種電極沉浸在硝酸鉀電解質(zhì)溶液中。

新電極在40 000 次充電周期后可保持83%的容量，相比之下，鉛酸蓄電池只能使用幾百個周期，而鋰離子電池通常使用1 000 次。這種電極也呈現(xiàn)出99%的能量效率?！澳阆Ｍ潆姇r輸入的電壓和放電時輸出的電壓相同，”崔毅說，“對比現(xiàn)有的其他任何電池材料，這絕對是最好的?！?/p>

杰伊·惠特克是卡內(nèi)基- 梅隆大學(Carnegie Mellon University) 材料科學與工程教授，也是鈉離子電池新創(chuàng)公司阿奎恩能源公司的創(chuàng)始人，他說，這種電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)壽命，但也指出，它們的充電容量是比較低的：每克材料60 毫安時。相比之下，阿奎恩公司的錳氧化物陰極達100 毫安時。此外，他還說：“它是基于銅，現(xiàn)在，這實際上是相當昂貴的?！?/p>

然而，大規(guī)模并網(wǎng)儲電最重要的指標是每次循環(huán)能量的單價，唐納德·沙德維說，他是麻省理工學院材料科學與工程教授。在這方面，這種新材料具有數(shù)萬次周期，比其他電池都有優(yōu)勢。“最后歸結(jié)到成本，如果它們能提供這樣的性能，成本大大低于鈉硫，那它們就成為優(yōu)勝者了?！碧萍{德說。

除了成本和循環(huán)壽命之外，“往返能源效率對于電網(wǎng)儲能也非常重要，這樣，充電過程中就不會浪費能量。”克里斯托弗·約翰遜說，他是阿貢國家實驗室的電池研究員。雖然不知道新電極的成本，但是，它的效率和循環(huán)壽命“令人印象深刻”。

迄今制成的電極都是用作陰極。崔毅說，他的小組正在調(diào)整這種材料的化學反應，以制備一種陽極。與此同時，他們也在研制原型電池。

河南制造全世界能量最大的潛水器蓄電池

7月16日，在青島舉行的“蛟龍”號載人潛水器7 000 米級海試凱旋儀式上，“蛟龍”號的動力系統(tǒng)受到了相關專家的充分肯定。

據(jù)介紹，作為“蛟龍”號主動力電源、輔助動力電源、應急救生電源的深海耐壓鋅銀系列電池，具有質(zhì)量輕、析氣量少的特點，能量超過110 千瓦時，是目前世界上能量最大的潛水器蓄電池。而日本的潛水器蓄電池最大能量為86 千瓦時，美國、法國的僅為40～50 千瓦時。

“蛟龍”號總設計師徐芑南表示，相比國際上現(xiàn)有的大深度載人潛水器，“蛟龍”號有三方面國際領先的技術：穩(wěn)定的貼近海底自動巡航能力和精確的懸停定位能力，高速數(shù)字化水聲通信，以及完全由我國自主研制的充油鋅銀蓄電池。前兩項都是中國科學院相關院所攻關完成，而第三項則由河南科隆集團獨立自主完成。

“作為整個潛水器唯一的動力來源，‘蛟龍’號對蓄電池的要求非?？量獭！焙幽峡坡〖瘓F董事長程清豐介紹說，“為節(jié)省艙體空間，蓄電池必須外置使用，要承受超過700 個大氣壓的壓力，在高溫下充電、低溫下放電，還要面臨傾斜、搖擺等特定條件，挑戰(zhàn)前所未有?！?/p>

以色列研發(fā)電動汽車超級電池瞄準單次500公里行駛目標

據(jù)以色列No Camels 網(wǎng)站報道，以色列正在加緊開發(fā)單次充電滿足500 公里行駛能耗的電池，并把它作為新成立的國家電化學推進中心的主要研發(fā)任務。

今年4月，以色列國家電化學推進中心成立。在今后的4年中，它將獲得4 500 萬新謝克爾（約合1 170 萬美元）的國家財政預算支持。該中心由100 名研究人員組成，他們被分成12 個小組，分別來自4 個學術機構。該中心成立的唯一目的是研發(fā)能夠更加有效存儲電能的新技術。

該研究中心主任、巴伊蘭大學化學系多倫·烏爾巴赫教授說：“由于政治以及將來的能源短缺問題，石油沒有未來。政治家的心態(tài)已經(jīng)發(fā)生變化，這種變化已經(jīng)滲透到汽車行業(yè)，最后到電池生產(chǎn)商，他們都希望采用電動汽車。如今，Better Place 公司在其電動汽車上所使用的電池重達300 千克，足以滿足電動汽車行駛150 公里的能耗。事實上這對于一般的以色列人已經(jīng)足夠，但他們?nèi)匀幌胍黾与妱悠嚨男旭偫锍獭６覀兊哪繕耸窃诓辉黾与姵刭|(zhì)量和體積的前提下，增加其儲電量?！?/p>

電動汽車生產(chǎn)商經(jīng)常會遇到的一個問題是電池放電速度受限，換言之，電池必須在更短時間內(nèi)釋放更多電能，這是電動汽車提速所必需的。因此，該中心正在努力開發(fā)超級電容器，可以在預定時間內(nèi)供應所需的能量。

下一階段的開發(fā)目標就是提高當前電動汽車的電池性能，按照烏爾巴赫的說法：“電動汽車的電池可以進行幾百次的充放電，之后就報廢，這樣是完全不夠的，因為我們不能依賴于那些兩三年就要更換一次的電池。”