用可樂跑汽車

譚玉龍

技術(shù)專家們正在絞盡腦汁用各種各樣方法讓電池更新?lián)Q代,一場電子設(shè)備的革命正悄悄來臨。在不遠(yuǎn)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(shí)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(jī)里清一色的鋰電池,以及研發(fā)與實(shí)用并重的太陽能電池、燃料電池,結(jié)合人們的需要和當(dāng)前的實(shí)際困難,各類電池正在發(fā)展中形成并體現(xiàn)著各自的特色,最大程度地展現(xiàn)了科技、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

手機(jī)電池——風(fēng)生水起

隨著3G業(yè)務(wù)在國內(nèi)的全面開展,手機(jī)的功能已極大豐富。如今制約手機(jī)使用的瓶頸已經(jīng)不是手機(jī)技術(shù),而是手機(jī)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(jī)功能更長久的使用,成為了當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)在普遍采用的手機(jī)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(qū)的所有手機(jī)電池,而后者在歐美地區(qū)還有少量的使用。鋰離子電池因?yàn)榫哂懈吖ぷ麟妷骸⑿◇w積、無污染、長循環(huán)壽命且無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)行業(yè)。

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

今年3月份,美國麻省理工學(xué)院的兩位科學(xué)家發(fā)明了一種超級鋰電池,通過改變傳統(tǒng)電極的表面結(jié)構(gòu),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(nèi)就可以完成我們過去幾個小時(shí)的工作。而且,這兩位科學(xué)家所用的生產(chǎn)材料都是以前鋰電池常用的材料,并沒有新的消耗和負(fù)擔(dān),為將來的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

研發(fā)人員說:“以秒計(jì)算而不是以小時(shí)計(jì)算的充電和放電過程,使得這項(xiàng)新型的電池技術(shù)將開啟新的技術(shù)應(yīng)用之門,其中包括改變?nèi)藗兊纳罘绞健！痹擁?xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于著名的《自然》雜志上,并已獲2家公司授權(quán),預(yù)計(jì)該項(xiàng)成果可在兩到三年內(nèi)上市。

汽車電池——電動汽車不是夢

隨著油價(jià)的持續(xù)走高以及節(jié)能減排成為我國的一項(xiàng)國策,電動汽車勢必成為將來的一個發(fā)展趨勢,很多汽車公司也開始重視電動汽車的研發(fā)。但到目前為止,電動汽車還只是在“概念汽車”的領(lǐng)域中,沒有得到實(shí)際應(yīng)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(shù)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(shù)(FCEV)三個技術(shù)流派。

現(xiàn)階段,混合動力汽車優(yōu)勢較大,因?yàn)樗鼘ΜF(xiàn)有汽車技術(shù)的改進(jìn)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(huán)利用率高、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。不過,鎳氫電池容量有限,不利于汽車的長途運(yùn)行。而鋰電池實(shí)現(xiàn)了大容量、高能量密度等特點(diǎn),已經(jīng)被眾多汽車廠商所青睞。但其不足之處在于安全性和穩(wěn)定性不夠理想,以及鋰作為貴金屬生產(chǎn)成本也比較高。

于是全球第一大鎳氫電池和鎳鎘電池生產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定性,在燃燒和碰撞中不會發(fā)生爆炸,因此被寄予厚望。據(jù)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。或許這將真正實(shí)現(xiàn)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(bǔ)助相關(guān)企業(yè)以推動美國電動車燃料電池的技術(shù)研發(fā)。燃料電池是將所供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置,也就是說,化學(xué)能僅僅通過一個步驟就變?yōu)殡娔?而不是傳統(tǒng)的從化學(xué)能變?yōu)闊崮?又從熱能變?yōu)殡娔?因此能量轉(zhuǎn)換率高達(dá)60%至80%。燃料電池具體原理是利用了水電解的逆反應(yīng),與其說它是個電池,倒不如說它是個“發(fā)電機(jī)”。只要通過連續(xù)地供給燃料和氧化劑,即可反應(yīng)獲得連續(xù)電力。當(dāng)燃料耗盡時(shí),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(zhì)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(xué)家研制了一種新的過濾技術(shù),安裝了上百個50微米大小的孔洞,可以將反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳等廢氣排到大氣中,清除反應(yīng)副產(chǎn)品,進(jìn)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(shí)現(xiàn)了成本降低與持久續(xù)航的雙重目標(biāo)。而且還有專門的智能控制芯片在電池工作時(shí)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(huán)保持久

太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量,是地球上最便捷、最直接的能源,不僅潔凈環(huán)保,而且取之不盡、用之不竭。從某種程度上說,我們現(xiàn)在所使用的所有能源其根源都是太陽能,而我們?nèi)祟悓μ柲艿睦靡灿猩锨甑臍v史,發(fā)展到今天已出現(xiàn)了太陽能的光熱利用、光電利用和光化學(xué)利用等多種形式。

太陽能電池種類很多,目前應(yīng)用最多、技術(shù)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(zhuǎn)化效率也最高,實(shí)驗(yàn)室多晶硅太陽電池的一般效率已達(dá)到20.3%,工業(yè)上生產(chǎn)的多晶硅太陽電池的效率也可以達(dá)到13%-16%,而且生產(chǎn)技術(shù)成熟,質(zhì)量穩(wěn)定,即便使用20年,轉(zhuǎn)換效率相對于出廠時(shí)也僅僅下降20%。但由于多晶硅太陽電池的材料價(jià)格居高不下,加之工藝繁瑣,限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用的要求。

為了進(jìn)一步提高效率,降低成本,科學(xué)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(xué)(MonashUniversity)的研究人員研發(fā)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(yùn)輸。而且它部分透明,可以安裝在玻璃和窗戶上,拓寬了應(yīng)用范圍。因?yàn)樗芷∮谒嫔?所以既可以覆蓋水面又不影響正常發(fā)電。

而美國特拉華大學(xué)科研人員瞄準(zhǔn)了新型的橫向光學(xué)聚焦系統(tǒng)。今年早些時(shí)候,他們宣布最新研制的超高效硅太陽能電池,在標(biāo)準(zhǔn)的陸地日光條件下,其太陽能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)42.8%。相對于傳統(tǒng)太陽能電池,轉(zhuǎn)換效率高出約30%。該系統(tǒng)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(tǒng)還有一個靜止的寬接收角光學(xué)系統(tǒng),可以接收更多的太陽光。這種固定化而不需要復(fù)雜跟蹤裝置的設(shè)備,使其更容易地被安裝于手提電腦等便攜設(shè)備。

據(jù)預(yù)測,未來幾年光伏產(chǎn)業(yè)的增長率至少是30%以上,市場前景廣闊。

活的電池——生物技術(shù)完美體現(xiàn)

除了剛才提到的已產(chǎn)業(yè)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(fā)其他類型的電池。比如從生命當(dāng)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(dāng)前沿的糖生物電池。在現(xiàn)場演示中,只需注入普通的可樂就可以發(fā)電。這種電池是利用酶分解葡萄糖,提取電子和氫離子進(jìn)行發(fā)電。

早在2007年,索尼公司就曾經(jīng)發(fā)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(chǎn)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(jié)電池才能驅(qū)動的Walkman揚(yáng)聲器現(xiàn)在只需3節(jié)即可。

這種電池更加環(huán)保,產(chǎn)物是水,而且酶可以再生,降低了價(jià)格。索尼公司看準(zhǔn)了生物電池的光明前景,準(zhǔn)備在續(xù)航能力等方面再加大投入研發(fā),一場電子設(shè)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。