用可樂跑汽車

譚玉龍

技術專家們正在絞盡腦汁用各種各樣方法讓電池更新換代,一場電子設備的革命正悄悄來臨。在不遠的將來,可樂就可以幫汽車行駛幾百公里。

如果你對電池的感覺還停留在手電筒里圓柱形干電池的印象中,那實在是太落伍了。從最早我們熟知的鉛酸電池到后來的鎳鎘電池、鎳氫電池,再到如今手機里清一色的鋰電池,以及研發與實用并重的太陽能電池、燃料電池,結合人們的需要和當前的實際困難,各類電池正在發展中形成并體現著各自的特色,最大程度地展現了科技、實用等優點。

手機電池——風生水起

隨著3G業務在國內的全面開展,手機的功能已極大豐富。如今制約手機使用的瓶頸已經不是手機技術,而是手機電池。如何在更有限的空間里提高電池的能量,滿足人們對各種手機功能更長久的使用,成為了當務之急。

現在普遍采用的手機電池是鋰離子電池和鎳氫電池,前者幾乎覆蓋了中國和東亞、東南亞地區的所有手機電池,而后者在歐美地區還有少量的使用。鋰離子電池因為具有高工作電壓、小體積、無污染、長循環壽命且無記憶效應等優點被廣泛應用于手機行業。

傳統鋰離子電池正負極分別是由鋰和碳構成,被電解質浸沒包裹,通過電極中正負電荷的流動提供電流。由于鋰離子從一個電極抵達另一個電極需要一定的時間,因此充放電都很緩慢。尤其是充電,一般需要好幾個小時,因而限制了人們的使用。

今年3月份,美國麻省理工學院的兩位科學家發明了一種超級鋰電池,通過改變傳統電極的表面結構,加速了鋰離子釋放和吸收速度,使之比原來有了100倍的提升。也就是說,幾秒內就可以完成我們過去幾個小時的工作。而且,這兩位科學家所用的生產材料都是以前鋰電池常用的材料,并沒有新的消耗和負擔,為將來的實際應用奠定了良好的基礎。

研發人員說:“以秒計算而不是以小時計算的充電和放電過程,使得這項新型的電池技術將開啟新的技術應用之門,其中包括改變人們的生活方式?！痹擁椦芯拷Y果已經發表于著名的《自然》雜志上,并已獲2家公司授權,預計該項成果可在兩到三年內上市。

汽車電池——電動汽車不是夢

隨著油價的持續走高以及節能減排成為我國的一項國策,電動汽車勢必成為將來的一個發展趨勢,很多汽車公司也開始重視電動汽車的研發。但到目前為止,電動汽車還只是在“概念汽車”的領域中,沒有得到實際應用。其主要原因,在于電動汽車的“電”——車載電池的容量、成本與安全性等問題。

電動汽車技術可分為純電動汽車(EV)、混合電動汽車(HEV)和燃料電池汽車技術(FCEV)三個技術流派。

現階段,混合動力汽車優勢較大,因為它對現有汽車技術的改進相對較少,可以起到很好的過渡作用。目前80%的混合動力汽車采用鎳氫動力電池,具有功率大、安全性好、循環利用率高、成本低、技術成熟等優點。不過,鎳氫電池容量有限,不利于汽車的長途運行。而鋰電池實現了大容量、高能量密度等特點,已經被眾多汽車廠商所青睞。但其不足之處在于安全性和穩定性不夠理想,以及鋰作為貴金屬生產成本也比較高。

于是全球第一大鎳氫電池和鎳鎘電池生產商比亞迪推出了新型的“鐵電池”。它采用鐵代替鋰,降低了生產成本,但電池容量和功率卻與鋰電池不相上下。而且它也大大提高了電池的穩定性,在燃燒和碰撞中不會發生爆炸,因此被寄予厚望。據稱,搭載了鐵電池的首輛比亞迪F3DM雙模電動車已于今年3月份在深圳的公路上跑了起來?；蛟S這將真正實現只需插上電就可以跑汽車的夢想。

除了混合動力汽車外,燃料電池汽車是電動汽車的另一個重要方向。今年5月底,美國能源部出臺政策,將撥款24億美元補助相關企業以推動美國電動車燃料電池的技術研發。燃料電池是將所供燃料的化學能直接變換為電能的一種能量轉換裝置,也就是說,化學能僅僅通過一個步驟就變為電能,而不是傳統的從化學能變為熱能,又從熱能變為電能,因此能量轉換率高達60%至80%。燃料電池具體原理是利用了水電解的逆反應,與其說它是個電池,倒不如說它是個“發電機”。只要通過連續地供給燃料和氧化劑,即可反應獲得連續電力。當燃料耗盡時,只需重新注滿燃料儲備庫即可。它的燃料很多樣化,像磷酸燃料電池、堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及蓄熱式燃料電池等許多類型。比如利用甲醇作為燃料,相比于氫氣存儲更加方便安全,而相比于鋰離子能量可提高10倍。另外,科學家研制了一種新的過濾技術,安裝了上百個50微米大小的孔洞,可以將反應產生的二氧化碳等廢氣排到大氣中,清除反應副產品,進一步提高了效率。

今年2月份,索尼推出新款燃料電池,融合了鋰電池和燃料電池,實現了成本降低與持久續航的雙重目標。而且還有專門的智能控制芯片在電池工作時切換燃料電池和鋰電池部分,從而獲得最高的電池效率。

太陽能電池——環保持久

太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量,是地球上最便捷、最直接的能源,不僅潔凈環保,而且取之不盡、用之不竭。從某種程度上說,我們現在所使用的所有能源其根源都是太陽能,而我們人類對太陽能的利用也有上千年的歷史,發展到今天已出現了太陽能的光熱利用、光電利用和光化學利用等多種形式。

太陽能電池種類很多,目前應用最多、技術最成熟的是晶體硅太陽電池,目前占到市場份額的90%,它的轉化效率也最高,實驗室多晶硅太陽電池的一般效率已達到20.3%,工業上生產的多晶硅太陽電池的效率也可以達到13%-16%,而且生產技術成熟,質量穩定,即便使用20年,轉換效率相對于出廠時也僅僅下降20%。但由于多晶硅太陽電池的材料價格居高不下,加之工藝繁瑣,限制了其大規模推廣應用的要求。

為了進一步提高效率,降低成本,科學家采用了不同的材料和方法利用太陽能。2009年3月,澳大利亞莫納什大學(MonashUniversity)的研究人員研發出了聚合物太陽能電池——一款超薄柔性太陽能電池。這種電池和一頁紙一樣薄,能隨意彎曲,非常輕便易于攜帶運輸。而且它部分透明,可以安裝在玻璃和窗戶上,拓寬了應用范圍。因為它能漂浮于水面上,所以既可以覆蓋水面又不影響正常發電。

而美國特拉華大學科研人員瞄準了新型的橫向光學聚焦系統。今年早些時候,他們宣布最新研制的超高效硅太陽能電池,在標準的陸地日光條件下,其太陽能轉換效率高達42.8%。相對于傳統太陽能電池,轉換效率高出約30%。該系統將吸收到的光束分配于不同的感光材料,能覆蓋全部太陽光譜,大大提高了對太陽光的利用率。而且,該系統還有一個靜止的寬接收角光學系統,可以接收更多的太陽光。這種固定化而不需要復雜跟蹤裝置的設備,使其更容易地被安裝于手提電腦等便攜設備。

據預測,未來幾年光伏產業的增長率至少是30%以上,市場前景廣闊。

活的電池——生物技術完美體現

除了剛才提到的已產業化的鋰電池、燃料電池和太陽能電池等新型電池,科研人員還在積極研發其他類型的電池。比如從生命當中汲取靈感,制備了“活的”生物電池。

在今年2月的“FCexpo2009國際氫·燃料電池展”上,索尼公司展示了相當前沿的糖生物電池。在現場演示中,只需注入普通的可樂就可以發電。這種電池是利用酶分解葡萄糖,提取電子和氫離子進行發電。

早在2007年,索尼公司就曾經發布了一款用葡萄糖(Glucose)做能量來源的生物電池,它以酶為催化劑,從碳水化合物如葡萄糖中產生電力。在今年的新款中,單位體積功率密度提高了1倍,從50mW/40cc提升為70mW/28cc,以前4節電池才能驅動的Walkman揚聲器現在只需3節即可。

這種電池更加環保,產物是水,而且酶可以再生,降低了價格。索尼公司看準了生物電池的光明前景,準備在續航能力等方面再加大投入研發,一場電子設備的革命正悄悄來臨。或許將來的某一天,我們手中的可樂也可以幫助自己的汽車行駛幾百公里。