超級電池

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動？移動設施：MP3播放器、手機，甚至人造心臟等充電幾秒鐘便可連續使用幾個月？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，這都是化學拖的后腿。因為確切地說，一節電池不儲存任何電力，是它內部化學物質之間進行的帶電離子的交換產生了電流。它的缺點很多：價格昂貴、體積笨重、使用有毒的化學物質、充電時間長……最后還避免不了報廢的結果!

飛機上的發明

在飛往美國汽車工業之都底特律的班機上，喬爾#8226;辛達爾有了這一足以引發未來交通變革的想法。當時，這位麻省理工學院的電子與信息工程教授讀到一篇關于碳納米管的文章。碳納米管是一些狹長圓柱狀的碳分子。當他讀到密集的碳納米管叢能夠提供巨大的比表面積時，忽然靈光閃現：我們能否用這些碳納米管來制造一個超級電容，使它既能儲存與電池相當的能量，又能在幾秒內完成充電呢？經過兩年半的研究，這位言談一向極有分寸的學者再也難掩興奮：“我們的電容真的可以改變能量世界！”

超級電池的原理非常簡單。兩個面對面的金屬片(電極)，就像兩個儲存帶電離子的容器。在充電時，兩個金屬片積蓄離子。放電時，它們快速釋放這些離子。離子釋放使連接兩極的導線中產生電子運動，一股電流便產生了。問題是電極所積蓄離子的數量取決于電極比表面積的大小。因為比表面積越大，離子也就越多。

曾經困難重重

科學經驗表明，把半導體管子做到納米尺度，其作用會發生巨變。比如，在超微集成電路芯片上，半導體“納米管”可用作不同粗細、長短的納米導線或納米元器件，使計算機更趨微型化，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，因為根本不存在那么小的模具。科學家通常將材料“磨”成納米級厚度的“書頁”，再“卷”成納米管。但該物理方法成本高、難度大。后來，科學家找到了一種“自然天成”的生物分子輔助法。設計思路是：先將結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，兩種納米晶體結合后會把生物分子“吃掉”，那根線消失了，內部就形成了“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。這些消極因素都導致碳管在電池工程上毫無意義。作為超電容應用也會碰到類似的問題。體積比容量大小是關系到電池或超電容材料能否實用化的最關鍵因素之一。

納米技術其實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，正是因為納米合金具備了納米尺度，所以它的微觀結構比較好。比如用TiO2這種合金與碳納米管來制備納米復合材料，合成后的復合材料可以更大地提高鋰電池負極的鋰離子充放電能力，而且電池的容量就會比現在的手機電池有很大的增加，手機電池的壽命也就延長了。手機電池使用壽命的延長其實就是電池的循環特性增加了。有了納米合金的優化結構，可以增加電池的循環次數，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化學電池的1/25。革命來自納米技術!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絲的1/30000)，成功地擴大其比表面積，從而使電容擁有了更大的能量。而這個超級電容的身軀卻是嬌小無比，僅僅只有幾毫米長。

超級電容的其他品質也令它鶴立雞群：它只需幾秒鐘——而不是幾小時——就能充電完畢；它的使用壽命可達3000年，而且是在高頻率的使用狀態下。再過10年左右，這項技術就會運用到便攜設備上。你可以想象一下，MP3播放器、手機，甚至人造心臟等，只要充電幾秒鐘便可連續使用幾個月，實在是太方便了。

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。從個人電腦到移動電話，再到汽車，它的應用無所不在。起初，電容與電池的作用是一樣的：它就像個能量庫，能夠存儲或釋放電能。但它們的相似也僅止于此。事實上，它們的作用是互補的。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，就會從被稱為“電解質”的物質中捕捉離子(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，這是一個完完全全的物理過程。電容內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。當金屬片比表面積與金屬片間的間距比趨于1012級比率時，電容就成了“超級”電容。而在化學電池內部，恰恰相反，電流是由電解質的離子與電極物質所發生的化學反應產生的。這便導致了電容與電池在性能上的巨大差異。相較之下，前者顯得更具優勢，因為物理“速度”與化學“速度”實不可同日而語。

例如，超級電容可以在幾秒鐘或幾分鐘內充電完畢，而一部電池卻需要幾小時。這種速度上的優勢也表現在放電上：一個電容可以即刻滿足強大的能量需求，而一部電池卻需要慢悠悠地釋放它的化學能量。

另外，電池內的化學反應在低溫下會變得低效，而超級電容可以毫無顧慮地在極其寒冷的條件下作業。最后，電池內的化學反應還會產生有害的副產品。比如汽車電池中的硫化鉛等，這些物質會不斷累積，從而限制電池的使用壽命：充電、放電幾百個周期后便要報廢。而電容則完全不受此制約，可以循環使用達幾十萬個周期。現在的超級電容表現出的儲能密度為每千克5至6瓦時，而作為現今性能最優越的電池，鋰電池的儲能密度可以達到每千克60至90瓦時。

研究人員卻深信，顛覆電池在能量存儲領域的霸權只不過是個時間問題。超級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3000平方米的電極。電極之間的空間充滿了電解質。超級電容通電后，電解質中的離子便會密集地依附在每一個電極的碳層表面，間距僅為一個離子的寬度：幾乎只有1納米！麻省理工學院的學者們由此獲得靈感：使用碳納米管，以獲得比活性炭更大的比表面積。為了達到這個目的，在一個導電表面上以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——如果那是發絲的話，其長度將達2.5米。根據他們的理念，離子在帶電碳納米管的吸引下，會像珠子一樣堆滿所有間隙。

即將用于移動電話

“我們已經計算過，這種設計可將離子捕捉面積擴大至現有產品的20到30倍，能夠達到與電池相同的能量密度。”喬爾#8226;辛達爾解釋道。為了完成這個構造，研究小組采用往金屬“納米籽”上噴灑碳蒸汽的技術，碳納米管便會從這些“納米籽”上面“長出”。

電池制造商已經開始犯愁了：由于化學原理的制約，他們無法使傳統蓄電池內部的反應變得更快，因此根本就沒有還手之力。當然，過渡將以漸進的方式開始：在小批量生產階段，最初的幾批超級電容會比同等性能的電池貴上10倍，因為后者的生產已經形成規模，光是移動電話的電池，每年就有8億塊出廠。即使這種產品會比傳統鋰電池貴上2~3倍，但為了一個不僅容量相當，而且壽命更長、能夠瞬時充電的元件，誰說大家不會掏腰包呢？

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