鉅大LARGE | 點擊量:972次 | 2020年06月05日
十年后 手機或可以自己進行充電?
關(guān)于提高智能手機電源效率的要求與責(zé)任,經(jīng)常會落到內(nèi)存或閃存儲存等其他組件上。不過,根據(jù)加拿大研究人員的最新研究成果顯示,自充電(self-charging)電池預(yù)計將在未來十年內(nèi)出現(xiàn)。
加拿大蒙特利爾的麥基爾大學(xué)(McGillUniversity)與國營的魁北克電力公司(Hydro-Quebec)旗下研究機構(gòu)IREQ合作,可望讓使用者再也不必面對忘記充電后無法使用手機的沮喪相關(guān)經(jīng)驗了。麥基爾大學(xué)采礦與材料工程系教授GeorgeDemopoulos表示,鋰離子電池雖然讓各種移動設(shè)備得以普及,但由于能源密度有限,仍然要頻繁的充電。
這種限制引發(fā)研究人員關(guān)于開發(fā)可攜式太陽能充電器的興趣。但Demopoulos指出,由于復(fù)雜的電路和封裝問題,難以讓這些混合設(shè)備小型化。因此,麥吉爾大學(xué)的研究人員們致力于開發(fā)能夠利用光進行能量采集與儲存的單一設(shè)備,從而達到了自充電電池的第一個里程碑。
圖1:FTO/LFpNp/DYE電極的示意圖
Demopoulos自2010年以來一直與HydroQuebec合作,進行鋰離子電池和太陽能電池的制造。2014年,他向麥吉爾大學(xué)申請休假研究,在IREQ與博士后研究人員Andreapaolella一起試驗了利用光采集制造自充電電池的想法,如同染料敏化(dye-sensitized)太陽能電池相同。Demopoulos自2007年起一直在從事與染料敏化太陽能電池相關(guān)的研發(fā),因而開始了與電池的不解之緣。
在早期階段,這方面的研究集中于單個光電極——用燈泡照射半個電池作為示范,看電池是否能夠吸收光能并儲存電能。但Demopoulos說,研究人員們想了解的是“我們面前的這兩種(燈泡、電池)設(shè)備,可以合二為一嗎?經(jīng)過幾周的光電極照射后,我們開始看到電流的流動,”Demopoulos關(guān)于paolella的耐心贊不絕口,因為一開始的兩個星期內(nèi)什么都沒有發(fā)生。
研究團隊在獲得加拿大自然科學(xué)暨工程研究委員會(NSERC)的資助后,目前正展開該計劃第二階段的工作。在2017年四月號的《自然通訊》(NatureCommunications)期刊中,研究人員詳細描述了染料敏化太陽能電池技術(shù)如何與鋰離子材料相結(jié)合以探究光輔助電池的充電的過程。
基本上,磷酸鐵鋰能有效地作為可逆的氧化還原劑,用于染料的再生,研究人員的研究結(jié)果描述了促進光充電(photo-rechargeable)鋰離子電池設(shè)計原理的可能性。
該實驗的第一階段沒有實際的設(shè)備,并且在無濕度的干燥室中進行。此外,各種實體組件從未被封裝在單一容器中?!安粌H僅是光線,實驗中的氧氣也起著關(guān)鍵用途。”Demopoulos說:“電池中不能存在氧氣。所以,下一階段是要設(shè)法取代氧氣,然后再進一步加以封裝?!?/p>
他說,這項研究計劃預(yù)計要花大約五至十年的時間。“我們將會要重新設(shè)計可吸收光的移動設(shè)備。”例如,屏幕可以吸收光。
圖2:霓虹光照射(紅線)的開路電壓(OCV):在經(jīng)過平緩的3.40V后,電壓升至3.75V;在使用黑盒子的黑暗環(huán)境(藍線),電壓如預(yù)期般,在500小時內(nèi)從3.44V略降至3.41V。插圖顯示使用太陽能仿真器(綠線)照射下OCV的變化
IREQ能源儲存和管理總監(jiān)KarimZaghib表示,已經(jīng)設(shè)計出能吸收光的電極,NSERC的經(jīng)費贊助將給予他們縮小差距的機會,并證明光充電電池的可能性。該機構(gòu)從事鋰離子電池相關(guān)業(yè)務(wù)已有五十年的歷史了;Zaghib個人也在那里工作了22年。目前,提出新的充電方法是Zaghib和其它研究人員致力于解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。他說:“大家都想要快速充電,我們必須找到另一個來源?!?/p>
他說,擁有一款同時能夠采集能量并加以儲存的設(shè)備,一直是個反復(fù)被討論的主題。電池的尺寸已不再是問題,因為研究人員使用的是離子磷酸鹽電池,而不是鋰離子電池?!皢栴}不在于能量密度,我們已有解決辦法了?!盳aghib說:“現(xiàn)在的問題是如何快速充電?!倍硪粋€挑戰(zhàn)則是讓電池擁有足夠的充電次數(shù),目標是在未來五年內(nèi)達到500次充放電周期。
預(yù)計在未來十年,越來越多的智能家庭將會采用太陽能供電,自充電電池也可望在家中派上用場,白天由陽光充電并在夜間使用。雖然目前的研究還圍繞在小尺寸的電池,但Zaghib看好為能量儲存等應(yīng)用開發(fā)出10-20千瓦時(kwh)更大尺寸電池的潛力。他說:“如今,假如你想要在自家發(fā)電,必須在屋頂上安裝太陽能板,并且把電池放置于家中地下室或車庫?!?/p>
而自充電電池的概念意味著家庭中的太陽能發(fā)電系統(tǒng)只需放在屋頂上,Zaghib說,這個概念甚至還可以導(dǎo)入車子,不過還要更多的考慮,因為車用電池通常放在底盤??傊?,“我們正思考一些新的設(shè)計,”Zaghib說。