超級(jí)電池

可曾想象過一輛干凈的轎車，它終于擺脫了使用汽油的羈絆，改用耐力持久的電池驅(qū)動(dòng)？移動(dòng)設(shè)施：MP3播放器、手機(jī)，甚至人造心臟等充電幾秒鐘便可連續(xù)使用幾個(gè)月？這便需要輕便、能夠快速充電并且耐力持久的電池。然而，目前，電池的特性卻恰恰相反，這都是化學(xué)拖的后腿。因?yàn)榇_切地說，一節(jié)電池不儲(chǔ)存任何電力，是它內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)之間進(jìn)行的帶電離子的交換產(chǎn)生了電流。它的缺點(diǎn)很多：價(jià)格昂貴、體積笨重、使用有毒的化學(xué)物質(zhì)、充電時(shí)間長……最后還避免不了報(bào)廢的結(jié)果!

飛機(jī)上的發(fā)明

在飛往美國汽車工業(yè)之都底特律的班機(jī)上，喬爾#8226;辛達(dá)爾有了這一足以引發(fā)未來交通變革的想法。當(dāng)時(shí)，這位麻省理工學(xué)院的電子與信息工程教授讀到一篇關(guān)于碳納米管的文章。碳納米管是一些狹長圓柱狀的碳分子。當(dāng)他讀到密集的碳納米管叢能夠提供巨大的比表面積時(shí)，忽然靈光閃現(xiàn)：我們能否用這些碳納米管來制造一個(gè)超級(jí)電容，使它既能儲(chǔ)存與電池相當(dāng)?shù)哪芰浚帜茉趲酌雰?nèi)完成充電呢？經(jīng)過兩年半的研究，這位言談一向極有分寸的學(xué)者再也難掩興奮：“我們的電容真的可以改變能量世界！”

超級(jí)電池的原理非常簡單。兩個(gè)面對(duì)面的金屬片(電極)，就像兩個(gè)儲(chǔ)存帶電離子的容器。在充電時(shí)，兩個(gè)金屬片積蓄離子。放電時(shí)，它們快速釋放這些離子。離子釋放使連接兩極的導(dǎo)線中產(chǎn)生電子運(yùn)動(dòng)，一股電流便產(chǎn)生了。問題是電極所積蓄離子的數(shù)量取決于電極比表面積的大小。因?yàn)楸缺砻娣e越大，離子也就越多。

曾經(jīng)困難重重

科學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，把半導(dǎo)體管子做到納米尺度，其作用會(huì)發(fā)生巨變。比如，在超微集成電路芯片上，半導(dǎo)體“納米管”可用作不同粗細(xì)、長短的納米導(dǎo)線或納米元器件，使計(jì)算機(jī)更趨微型化，由此筆記本電腦將可能微縮成掌上電腦。

但做納米管并不是做水泥管，因?yàn)楦静淮嬖谀敲葱〉哪＞摺？茖W(xué)家通常將材料“磨”成納米級(jí)厚度的“書頁”，再“卷”成納米管。但該物理方法成本高、難度大。后來，科學(xué)家找到了一種“自然天成”的生物分子輔助法。設(shè)計(jì)思路是：先將結(jié)合生物分子的納米晶體排成一條納米線，然后讓另一種納米晶體“包裹”在這根線的表面，巧妙的是，兩種納米晶體結(jié)合后會(huì)把生物分子“吃掉”，那根線消失了，內(nèi)部就形成了“中空”。

我們知道，納米材料只是尺度上的定義，并非納米就無所不能。納米材料的比表面積很大，活性非常之高，缺陷異常豐富。若碳管用作電極材料，一則不可逆肯定很大；二則電池自放電非常厲害；三則電池的體積比容量非常小。這些消極因素都導(dǎo)致碳管在電池工程上毫無意義。作為超電容應(yīng)用也會(huì)碰到類似的問題。體積比容量大小是關(guān)系到電池或超電容材料能否實(shí)用化的最關(guān)鍵因素之一。

納米技術(shù)其實(shí)沒有我們平常想的那么高深，它也很一般，只是尺度上比較小罷了，正是因?yàn)榧{米合金具備了納米尺度，所以它的微觀結(jié)構(gòu)比較好。比如用TiO2這種合金與碳納米管來制備納米復(fù)合材料，合成后的復(fù)合材料可以更大地提高鋰電池負(fù)極的鋰離子充放電能力，而且電池的容量就會(huì)比現(xiàn)在的手機(jī)電池有很大的增加，手機(jī)電池的壽命也就延長了。手機(jī)電池使用壽命的延長其實(shí)就是電池的循環(huán)特性增加了。有了納米合金的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以增加電池的循環(huán)次數(shù)，也就是可以讓電池的壽命增加了。

充電只需幾秒

目前，電容提供的電量只有一節(jié)化學(xué)電池的1/25。革命來自納米技術(shù)!研究人員在電極表面覆上成千上萬的碳納米管(其直徑只有一根頭發(fā)絲的1/30000)，成功地?cái)U(kuò)大其比表面積，從而使電容擁有了更大的能量。而這個(gè)超級(jí)電容的身軀卻是嬌小無比，僅僅只有幾毫米長。

超級(jí)電容的其他品質(zhì)也令它鶴立雞群：它只需幾秒鐘——而不是幾小時(shí)——就能充電完畢；它的使用壽命可達(dá)3000年，而且是在高頻率的使用狀態(tài)下。再過10年左右，這項(xiàng)技術(shù)就會(huì)運(yùn)用到便攜設(shè)備上。你可以想象一下，MP3播放器、手機(jī)，甚至人造心臟等，只要充電幾秒鐘便可連續(xù)使用幾個(gè)月，實(shí)在是太方便了。

作為一種普通的電子元件，電容與電阻和晶體管一樣，是電路的基本組件。從個(gè)人電腦到移動(dòng)電話，再到汽車，它的應(yīng)用無所不在。起初，電容與電池的作用是一樣的：它就像個(gè)能量庫，能夠存儲(chǔ)或釋放電能。但它們的相似也僅止于此。事實(shí)上，它們的作用是互補(bǔ)的。電容原理非常簡單：以絕緣空間相隔的兩塊金屬片，一旦被施以電壓，就會(huì)從被稱為“電解質(zhì)”的物質(zhì)中捕捉離子(即帶電粒子)。在靜電力的作用下，電容的每塊電極片吸引異極離子，從而完成能量積蓄，這是一個(gè)完完全全的物理過程。電容內(nèi)金屬片比表面積越大，間距越近，能夠容納的電荷即能量也就越多。當(dāng)金屬片比表面積與金屬片間的間距比趨于1012級(jí)比率時(shí)，電容就成了“超級(jí)”電容。而在化學(xué)電池內(nèi)部，恰恰相反，電流是由電解質(zhì)的離子與電極物質(zhì)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。這便導(dǎo)致了電容與電池在性能上的巨大差異。相較之下，前者顯得更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲锢怼八俣取迸c化學(xué)“速度”實(shí)不可同日而語。

例如，超級(jí)電容可以在幾秒鐘或幾分鐘內(nèi)充電完畢，而一部電池卻需要幾小時(shí)。這種速度上的優(yōu)勢(shì)也表現(xiàn)在放電上：一個(gè)電容可以即刻滿足強(qiáng)大的能量需求，而一部電池卻需要慢悠悠地釋放它的化學(xué)能量。

另外，電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)在低溫下會(huì)變得低效，而超級(jí)電容可以毫無顧慮地在極其寒冷的條件下作業(yè)。最后，電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。比如汽車電池中的硫化鉛等，這些物質(zhì)會(huì)不斷累積，從而限制電池的使用壽命：充電、放電幾百個(gè)周期后便要報(bào)廢。而電容則完全不受此制約，可以循環(huán)使用達(dá)幾十萬個(gè)周期。現(xiàn)在的超級(jí)電容表現(xiàn)出的儲(chǔ)能密度為每千克5至6瓦時(shí)，而作為現(xiàn)今性能最優(yōu)越的電池，鋰電池的儲(chǔ)能密度可以達(dá)到每千克60至90瓦時(shí)。

研究人員卻深信，顛覆電池在能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的霸權(quán)只不過是個(gè)時(shí)間問題。超級(jí)電容的缺陷非常容易理解：它們的“容量”取決于它們捕獲離子的能力，也就是說電極提供盡可能大的比表面積的能力。目前，使用布滿活性炭——用酸腐蝕過的多孔碳——的鋁膜制造每克比表面積達(dá)3000平方米的電極。電極之間的空間充滿了電解質(zhì)。超級(jí)電容通電后，電解質(zhì)中的離子便會(huì)密集地依附在每一個(gè)電極的碳層表面，間距僅為一個(gè)離子的寬度：幾乎只有1納米！麻省理工學(xué)院的學(xué)者們由此獲得靈感：使用碳納米管，以獲得比活性炭更大的比表面積。為了達(dá)到這個(gè)目的，在一個(gè)導(dǎo)電表面上以5～10納米的間距植上直徑為幾納米、長度為100微米的碳納米管——如果那是發(fā)絲的話，其長度將達(dá)2.5米。根據(jù)他們的理念，離子在帶電碳納米管的吸引下，會(huì)像珠子一樣堆滿所有間隙。

即將用于移動(dòng)電話

“我們已經(jīng)計(jì)算過，這種設(shè)計(jì)可將離子捕捉面積擴(kuò)大至現(xiàn)有產(chǎn)品的20到30倍，能夠達(dá)到與電池相同的能量密度。”喬爾#8226;辛達(dá)爾解釋道。為了完成這個(gè)構(gòu)造，研究小組采用往金屬“納米籽”上噴灑碳蒸汽的技術(shù)，碳納米管便會(huì)從這些“納米籽”上面“長出”。

電池制造商已經(jīng)開始犯愁了：由于化學(xué)原理的制約，他們無法使傳統(tǒng)蓄電池內(nèi)部的反應(yīng)變得更快，因此根本就沒有還手之力。當(dāng)然，過渡將以漸進(jìn)的方式開始：在小批量生產(chǎn)階段，最初的幾批超級(jí)電容會(huì)比同等性能的電池貴上10倍，因?yàn)楹笳叩纳a(chǎn)已經(jīng)形成規(guī)模，光是移動(dòng)電話的電池，每年就有8億塊出廠。即使這種產(chǎn)品會(huì)比傳統(tǒng)鋰電池貴上2~3倍，但為了一個(gè)不僅容量相當(dāng)，而且壽命更長、能夠瞬時(shí)充電的元件，誰說大家不會(huì)掏腰包呢？

其實(shí)，早在2007年底開始，一些高檔汽車已經(jīng)配置超級(jí)電容了。大家可以想想以后基本所有移動(dòng)用電，都會(huì)用超級(jí)電容。未來的3G手機(jī)將普及，而它耗電量大，現(xiàn)在的電池很難適應(yīng)它，有了超級(jí)電容就方便了。電用完了，隨便有插座的地方，插幾秒就完成充電，方便吧。