【電源網】在發(fā)展進程中，新技術的出現(xiàn)總是能夠給人們帶來更大的便捷。而電池技術的發(fā)展也不例外，從以前小型堿性電池的一步步發(fā)展到可用作汽車、電動汽車動力的鋰離子電池，每一步的突破都為清潔能源的發(fā)展推進了一個腳步。在當今社會中，不斷地發(fā)展清潔能源或可再生能源技術都成為了跨入下一個電池技術時代的一個進步。因此近期小編整理了6中新型電池技術，來給大家說一說。

一、污水尿液能發(fā)電——微生物燃料動力電池技術獲突破

微生物燃料動力電池并不是一個新概念。早在1910年，英國植物學家馬克·比特首次發(fā)現(xiàn)了細菌的培養(yǎng)液能夠出現(xiàn)電流，他用鉑作為電極成功制造出了世界第一塊微生物燃料動力電池。最近，美國賓夕法尼亞州立大學環(huán)境工程系教授BruceLogan的研究組嘗試開發(fā)微生物燃料動力電池，試圖將未經處理的污水轉變成干凈的水，同時發(fā)電。該項技術未來還可能實現(xiàn)海水淡化。

科技的發(fā)展能令許多塵封的夢想照進現(xiàn)實。一塊看上去如此“微小”的電池，究竟隱含了怎么樣“巨大”的能量?

污水中蘊含電能價值

目前，污水處理費時、費錢，還消耗大量能量，基本是個隻投入不產出的行業(yè)，成為各國政府頭疼的一大難題。有數據稱，5%的電力消費被用于污水處理。因此，又能凈化水質、又能發(fā)電的微生物燃料動力電池一旦出現(xiàn)，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產業(yè)。BruceLogan教授認為，未來污水處理廠通過使用微生物燃料動力電池不僅可以滿足自身用電，還能向外輸電。雖然目前還沒有商業(yè)產品問世，但多倫多大學的科學家戴維·伯格雷曾估計，污水中潛在的電能價值是其處理成本的10倍。BruceLogan教授則認為，隻要能利用潛在電能的1/20，污水處理廠就可以解決污水處理成本。不過他估計，微生物燃料動力電池實現(xiàn)工業(yè)應用還需5~10年。在現(xiàn)階段，突破工業(yè)應用的關鍵問題仍然是如何繼續(xù)降低成本、提高電池性價比。據悉，在早期的研究中，BruceLogan所在的研究小組使用了大量昂貴的材料，如昂貴的石墨電極、聚合物以及鉑等貴金屬。但其最新的電池系統(tǒng)已經使用了更便宜并且更環(huán)保的材料?！拔覀儸F(xiàn)在已經可以不用任何貴金屬了?！盉ruceLogan教授說。

尚處于實驗室階段但應用前景廣闊

我國科學院廣州能源所研究員孔曉英在接受采訪時表示，微生物燃料動力電池目前還處于實驗室研究階段。但經過科研工作者的不懈努力，它在各個方面都取得了顯著突破。微生物燃料動力電池的應用范圍相當廣泛，塬料已由簡單的葡萄糖、乙酸發(fā)展到各種廢水、農業(yè)和畜牧廢棄物、城市生活有機垃圾、海水河水沉積物等復雜的材料。在功能上，也由單純的產電拓展到處理廢水、輔助產氫、海水淡化、土壤修復及CO2的捕獲等?！拔⑸锶剂蟿恿﹄姵赜泻芏嗖煌摹印瑥膬墒业疥帢O和質子膜壓合在一起的單室，從有膜到無膜，從電池單體到電池組，小到紐扣電池，大到大型柱狀電池，無不體現(xiàn)了科研人員豐富的想象力及創(chuàng)造力?！笨桌蠋熣f。

據孔老師介紹，微生物燃料動力電池與其他電池相比，具有燃料來源多樣化、操作條件溫和、無需能量輸入、能量利用的高效性、生物相容性等獨有特點。但是與化學燃料動力電池相比，微生物燃料動力電池的功率輸出大約低4個數量級。“雖然微生物燃料動力電池在電能輸出方面沒有競爭優(yōu)勢，但是在很多方面有很好的應用前景，可以發(fā)展為廉價、長效的電能系統(tǒng)。將廢水中的有機污染物轉變成電能，能為邊遠地區(qū)或無人的地方供應微能源，修復土壤，淡化鹽水，協(xié)助產氫，它還可以成為新型的人體起搏器、生物傳感器等?！笨桌蠋熣f，“然而，如何集成各方面的優(yōu)勢技術，使微生物燃料動力電池得到廣泛應用是亟待解決的問題。另外，利用復雜有機物產電的機制、微生物群落代謝網絡等問題仍需深入研究?！?/p>

優(yōu)勢：將有機物“變廢為寶”

英國布裡斯托爾機器人實驗室的研究人員克裡斯·梅爾赫什表示，從理論上來說，隻要找到合適的微生物，微生物燃料動力電池可由任何有機物質來驅動?？桌蠋煂Υ擞^點表示認同?！啊线m’的微生物要滿足兩個條件：一是能夠很好地利用塬料﹔二是將代謝塬料出現(xiàn)的電子傳遞到電池電極上?！笨桌蠋熍e例說，例如想利用富含纖維素的廢紙、木頭、玉米葉、玉米稈等制作微生物燃料動力電池，首先要找到纖維素降解微生物。牛的胃液是不錯的選擇，可從活奶牛胃裡獲取瘤胃胃液，通過置入到奶牛瘤胃上的套管提取胃液，然后將含纖維素的塬料及含纖維素降解微生物的胃液混合后加入到燃料動力電池裝置中，經過反復“馴化”，使微生物適應電極的電子傳遞，就可能得到一種利用廢棄有機質的微生物燃料動力電池。美國俄亥俄州立大學就是利用奶牛胃液制作了降解纖維素的燃料動力電池。孔老師告訴記者，微生物燃料動力電池的塬料很廣泛，不同類型的電池塬料也不同，如處理廢水的微生物燃料動力電池的重要塬料就是廢水，土壤修復的微生物燃料動力電池塬料是土壤。

那些新奇的微生物“發(fā)電”新技術

可以說，幾乎任何類型的有機廢物材料都可作為微生物燃料動力電池的產電塬料，如麥草秸稈、動物糞便以及葡萄酒、啤酒或奶制品行業(yè)的廢水等。但不管什么類型的微生物燃料動力電池，所採用的塬料本質上都是糖類、醇類、蛋白質等有機物。

專家評析：

利用尿液或者乳清來制造微生物燃料動力電池在實驗室進行基礎研究是可行的，以上兩個發(fā)現(xiàn)都是在特定的條件下實現(xiàn)的。在尿液制作微生物燃料動力電池的實驗中，研究人員利用了無疾病人員正常代謝出現(xiàn)的尿液作為培養(yǎng)液，對來自污水處理廠的活性污泥進行“馴化”，以此構建的微生物燃料動力電池得到了極小的電能。由于微生物在低濃度的情況下對有機塬料是可以正常啟動的，但在高濃度下，則要進行稀釋。同時，假如在實際運行中找到合適的產電微生物及高效的電池配置，也能廣泛地利用各種成分的尿液或乳清，并提高電能?！把前l(fā)電”：日本東北大學開發(fā)出了一種利用血液中的糖分發(fā)電的燃料動力電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置供應充足的電量，為心臟起搏器供應能量。

“尿液發(fā)電”：為處理密閉的宇宙飛船裡宇航員排出的尿液，美國宇航局設計了一種巧妙的方法：用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，它會出現(xiàn)氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質，這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在航天條件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦電力?！叭榍灏l(fā)電”：希臘研究人員研發(fā)出了以乳清為塬料的微生物燃料動力電池。研究人員表示，乳清是制造奶酪的副產品，該研究可讓廠從乳清等有機廢物中回收能源。乳清富含乳糖，微生物燃料動力電池中的微生物通過消耗乳糖來出現(xiàn)電流。這種新型燃料動力電池雖然最近幾年才走進大眾的視野，但它正在吸引越來越多人的關注，人們希望它在處理廢物的同時出現(xiàn)電力。

二、技術突破進入新階段：“塑料”太陽能電池

瑞士電子與微技術中心(CSEM)巴西公司日前宣布，他們在“塑料”太陽能電池研究上獲得突破，以有機聚合體替代單晶硅制造太陽能電池的技術已進入商業(yè)開發(fā)階段。受此推動，可發(fā)生光電效應的有機聚合體薄膜產業(yè)將面對大發(fā)展。盡管國內上市公司尚未涉及該產業(yè)，但太陽能電池背板膜的需求會受到帶動。

塑料太陽能電池研究獲得突破

瑞士電子與微技術中心(CSEM)巴西公司日前宣布，他們在“塑料”太陽能電池研究上獲得突破，以有機聚合體替代單晶硅制造太陽能電池的技術已進入商業(yè)開發(fā)階段。

所謂“塑料”太陽能電池，就是將可發(fā)生光電效應的有機聚合體薄膜，印在碳基板上并連接成為電池組。與傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池相比，“塑料”太陽能電池具有輕巧、廉價的顯著特點，并且生產過程中污染較小。據“美洲大地”網站報道，雖然歐美國家已開發(fā)出類似技術，但發(fā)電功率小，只適用于給手機等小型電器供電。CSEM巴西公司技術人員表示，他們的新技術可制造較大面積的“塑料”太陽能電池板，以滿足普通家庭用電需求。假如在建筑頂棚等開闊空間安裝這種太陽能電池板，發(fā)電規(guī)模將非常可觀。CSEM巴西公司稱，“塑料”太陽能電池的成本遠遠低于傳統(tǒng)的太陽能電池，因而已投入到商業(yè)開發(fā)階段，同時希望引進私人公司的參與和投資。

5-10年內有望大規(guī)模商用

據報道，英國科學家的一項最新研究或能加速塑料太陽能電池的應用步伐，使其在5到10年內實現(xiàn)商用。這種太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術大規(guī)模生產，其成本低廉、環(huán)保，可大規(guī)模應用。有專家認為，這或將對傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池造成沖擊。由英國謝菲爾德大學和劍橋大學的研究人員進行的這項研究，借助英國盧瑟福阿普爾頓實驗室的ISIS中子源和“鉆石光源”對塑料太陽能電池的內部結構進行探測，并以此為依據對相關工藝作出改進，提高了太陽能電池的整體性能。新方法并未采用昂貴的技術來制造特定的半導體結構，而是通過批量印制工藝，用兩種不同的感光物質在塑料薄膜上“印”上了一層厚度只有60納米的電路結構。整個制造過程都在較低的溫度下進行，可采用“卷對卷印刷”技術大規(guī)模生產，且該工藝在總體上可顯著降低能耗和材料浪費。

此外，與傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池切割封裝工藝相比，新技術的生產效率更高，一次印刷就可生產出幾個足球場大小的太陽能電池，而且大規(guī)模生產的成本也將遠低于傳統(tǒng)晶硅類太陽能電池。在使用上，這種太陽能電池重量輕、易運輸、可卷曲，在安裝時甚至可以直接附著在建筑物表面而不占用額外空間。研究人員稱，這種聚合物太陽能電池的轉化效率目前可以達到7%-8%，下一步有望提高到10%以上。

謝菲爾德大學教授理查德。瓊斯說，今后50年，傳統(tǒng)化石能源將無法滿足世界日漸上升的能源需求，目前來看，在可再生能源中最有希望取代化石能源的就是太陽能，但成本高、轉化率低一直限制著太陽能技術的應用。新技術讓太陽能電池的低成本生產和大規(guī)模鋪設成為了現(xiàn)實，為新型太陽能電池的制造和可再生能源的發(fā)展鋪平了道路。瓊斯預測，在未來5到10年，基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術將走向成熟，并實現(xiàn)大規(guī)模商用。

三、納米太陽能電池有望打破能量轉化率瓶頸

據《自然光子學》雜志最新發(fā)表的一項研究稱，納米線可吸收比普通太陽光強度高14倍的太陽光?？茖W家預測，未來納米線不僅在太陽能電池領域，而且在量子計算機和其他電子產品中也有巨大的發(fā)展?jié)摿?。丹麥哥本哈根大學尼爾斯波爾研究院納米科學中心和瑞士洛桑理工學院的研究人員表示，由于納米線一些獨特的物理吸光性，使其突破了利用太陽能的極限。尼爾斯波爾研究院的皮特﹒克羅格斯拉普(peterKrogstrup)博士說，此發(fā)現(xiàn)顯示了未來納米線太陽能電池發(fā)展的巨大潛力。

近年來，科研人員一直在研究如何改善提高納米線晶體質量。納米線晶體呈柱狀構造，直徑為人頭發(fā)的萬分之一。研究結果表明，納米線能夠在非常小的區(qū)域內收集15倍的太陽射線。由于納米線的直徑小于太陽光的波長，因此在納米線內部和周圍能引起光強度共振?？肆_格斯拉普博士解釋說，共振能夠集中太陽光，太陽光又轉化為能量，這樣太陽能的轉化效率大大提高。此外，有瑞典科學家也表示，太陽能電池出現(xiàn)的大量電力也使得太陽光吸收進入納米線。

克羅格斯拉普稱，多年來一直被視為太陽能電池轉化效率瓶頸的肖克利-奎伊瑟極限(SQ極限)看來有可能突破。盡管目前的研究結果只提高了幾個百分點，但是這對發(fā)展太陽能電池、開發(fā)納米太陽能射線以及全球能源開發(fā)將會出現(xiàn)重要影響，只是納米線太陽能電池的產業(yè)化尚需時日。所謂的肖克利?奎伊瑟效率極限測量約為33.5%，就是單個p-n結太陽能電池。這意味著，假如太陽能電池每平方米太陽能可收集1000瓦，那么，它能出現(xiàn)的最大電力為每平方米335瓦左右。

本次研究合作單位包括半導體材料實驗室、洛桑理工學院、丹麥太陽能電池公司SunFlakeA/S公司和基金會，研究內容和結果發(fā)表在一月份的《科學》雜志上。位于硅基片之上的納米線吸收太陽射線。納米線極有可能成為未來太陽能電池的發(fā)展主流。

四、復旦大學研發(fā)新型鋰離子電池電動汽車充電十秒可跑100公里

記者日前獲悉，復旦大學吳宇平教授領導的課題組突破傳統(tǒng)舊制，首次提出“電位穿越”理論，并制成了平均充電電壓為2.4伏、放電電壓為4.0伏的新型水溶液可充鋰離子電池(簡稱為“水鋰電”)，這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23伏。最新一期《自然》雜志子刊《科學報道》刊發(fā)了這一最新研究成果，該成果已引發(fā)美國能源研究機構、公司關注。

據了解，傳統(tǒng)方法制造的鋰離子電池生產成本較高，且其中有機電解質溶液存在一定安全隱患。業(yè)界一般采用“極化”方法(即不斷嘗試使用新型的材料制作電極)來解決水鋰電的核心問題——防止鋰離子和水在低電位發(fā)生反應。但該方法只能使水鋰電所出現(xiàn)的電壓最多達2.0伏，且充放電效率低。吳宇平教授則另辟蹊徑，用高分子材料和無機材料制成復合膜，包裹在金屬鋰外。這層復合膜幫助鋰離子的電位在正負極之間“時空穿越”——在它的用途下，質子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會在鋰離子遷移過程中出現(xiàn)損耗。吳教授打趣說：“你可以把它看成一道‘任意門’，鋰離子的電位經過膜，一下就到了負極，然后又直接從負極回到正極，就好像科幻片中，人跨過蟲洞可以直接在地球和外太空之間往返?！闭虼?，課題小組把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。

據介紹，該包裹復合膜的新型水鋰電可大幅降低電池成本，其能量密度比目前普遍采用的有機電解質的動力鋰離子電池高出80%，從而使電池充電時間更短，儲存電量更多，耐用時間更久。以電動汽車為例，復旦新型水鋰電僅需10秒即可完成充電，且能跑上400公里，而其成本僅有傳統(tǒng)車用鋰離子電池的一半。目前，該項技術離產業(yè)化僅“一步之遙”。據悉，復旦大學自2005年起就一直在開展水鋰電這一國際前沿領域的探索，至2007年，在科技部重大基礎研究計劃和自然科學基金委的資助下，其研究成果和科研水平開始居于世界先進地位。

五、科學家研制可在黑暗中使用的細菌發(fā)電生物電池

國外媒體報道，用細菌制成的電池很快將會為我們的電子產品供應電能?？茖W家已經發(fā)現(xiàn)，可以把細菌體表蛋白生成的能量收集起來，作為電能。這項重大突破將會導致由細菌出現(xiàn)的清潔電流，或稱“生物電池(biobatteries)”誕生。該研究成果發(fā)表《美國國家科學院院刊》上，它顯示，細菌接觸到金屬或者是礦物質時，它們體內的化學物質就會生成電流，并通過細胞膜流出體外。這意味著可以把細菌直接“束縛”到電極上，這一發(fā)現(xiàn)表明我們又向成功制出高效微生物燃料動力電池邁進了一大步。研究人員制成海洋細菌希瓦氏菌的合成版本，他們僅采用了被認為是這種細菌用來把電子從巖石上轉移到體內的蛋白。然后他們把這些蛋白質嵌入到一層層泡囊中，這些是微小的油脂(脂肪)囊，例如組成細菌膜的那些物質。隨后他們對電子在細菌體內的給電子體和體外用來供應礦物質的一塊金屬之間的傳輸情況進行檢測。

英國東安格利亞大學的生物學家湯姆-克拉克博士說：“我們了解細菌能轉移金屬和礦物質里的電子，這種互動重要取決于細菌體表的特殊蛋白。但是目前我們還不清楚，這些蛋白是直接還是間接通過環(huán)境中一種我們不了解的介質做到這些的。我們的研究顯示，這些蛋白質能夠直接‘接觸’礦物質表面，并出現(xiàn)電流，這表明細菌可能是依附在金屬或者礦物質表面，通過它們的細胞膜傳導電流的。事實上這是我們第一次觀測到細菌細胞膜的組成成分是如何與不同物質發(fā)生互動的，并首次了解了金屬和礦物質在細胞表面發(fā)生的互動存在多大差異。這些細菌展現(xiàn)出作為微生物燃料動力電池的巨大潛能，它們可以通過分解家庭或者農業(yè)廢料出現(xiàn)電流。”

克拉克說：“另一種可能性是把這些細菌當作電極表面的微型廠，電極通過這些蛋白質供應的電能促使細胞內發(fā)生化學反應?？茖W家已經清楚，細菌會對礦物質和金屬出現(xiàn)影響，但這是首次證實它們可以直接釋放電流。在這方面可能有其他種類的細菌比我們當前采用的細菌做得更加出色。未來的生物電池將在沒有太陽能的黑暗環(huán)境下特別實用，這是因為它們能在震后的偏遠地區(qū)或者是海洋深處持續(xù)工作。”美國太平洋西北國家實驗室的生物化學家、研究人員史梁(LiangShi)說：“我們研制了一種獨特系統(tǒng)，這樣我們就能模擬細胞內發(fā)生的電子轉移過程。我們測量的電子轉移率快的令人難以置信，這種速度足以支持細菌的呼吸用途。”更為重要的是，這一發(fā)現(xiàn)還有助于我們了解碳是如何在大氣層、陸地和海洋之間循環(huán)的。史梁說：“當有機物通過化學反應致使鐵減少時，會釋放出二氧化碳和水。而把鐵作為一個能量源時，細菌會把二氧化碳組合成食物。假如我們了解電子轉移，我們就能弄明白細菌是如何控制碳循環(huán)的?！?/p>

通過顯微鏡看到，海洋細菌希瓦氏菌的合成版本與碳電極發(fā)生互動

湯姆-克拉克博士正在東安格利亞大學進行研究的希瓦氏菌

湯姆-克拉克博士正在東安格利亞大學進行研究的希瓦氏菌

生物電池可以用來為手機充電器供應電能

六、基于植物的可回收太陽能電池

美國喬治理工學院和普渡大學的研究人員開發(fā)出一種基于源自植物天然物質如樹木的新型太陽能電池，這種有機太陽能電池所采用的可再生原材料基質，使用后可被簡單地回收。這項研究由喬治理工學院的工程教授BernardKippelen領銜，這名教授始終在致力于可持續(xù)、可再生太陽能電池技術的協(xié)助研究工作。

“太陽能技術有機基片的開發(fā)工作一直在持續(xù)進行中，也為未來的應用供應了很好的幫助?！盞ippelen解釋說，“有機太陽能電池應該是可以回收再利用的，另一方面我們也解決了目前的一個問題，即是減少對礦物燃料的依賴，后者在電池使用壽命結束后無法進行簡單的處理?！?/p>

有機太陽能電池基于玻璃與塑料制成，這兩者在回收工作上都比較容易。而Kippelen的太陽能電池則由植物細胞膜質納米晶體構成(CNC)，這即是源自于類似樹木之類的植物。這種電池在壽命終結后，回收工作僅需在常溫下將它們浸入水中。在數分鐘的浸濕后，CNC基質會溶解，從太陽能電池上簡單地分離開來。CNC基片是透明的，本身可透光。雖然2.7%的能源效率相較其他太陽能電池技術的研究還比較低，但其環(huán)境效益及簡單回收的特性仍是相當吸引人的。未來，研究人員期望提升這種電池產品的效能?！拔覀兊南乱徊接媱澗褪菍⑵淠茉崔D換效率提升至超過10%，達到用玻璃、塑料制成基片的太陽能電池相同的水平?！盞ippenlen說。