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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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新型泡沫電池有望實(shí)現(xiàn)快速充電和更大容量
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盡管有數(shù)十億美元的投資和幾個(gè)備受矚目的新創(chuàng)公司，但能源領(lǐng)域仍然面臨著根本性的，看似不可解決的挑戰(zhàn)：很難以結(jié)構(gòu)緊湊、續(xù)航持久和低成本的方式儲(chǔ)存大量電力。 越來越多的研究人員希望通過“三維電池（three-dimensional batteries）”解決這個(gè)問題。三維電池有幾種形式，但往往都有多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的“二維”電池是一個(gè)盒狀結(jié)構(gòu)，里面有薄層金屬浸在液體電解質(zhì)溶液里。 在過去的幾個(gè)月里，一家來自柯林斯堡（Fort Collins）科羅拉多州立大學(xué)（Colorado State University）的新創(chuàng)公司普列托電池（Prieto Battery）成功生產(chǎn)出公司創(chuàng)始人艾米·普列托（Amy Prieto）所說的“第一款真正的三維電池，可以充電和放電，并且容量更高”——換句話說，該電池滿足了常規(guī)電池的基本要求。 與傳統(tǒng)電池相比，三維電池制造成本更低、充電更快、更安全、體積更小、更環(huán)保。更重要的是，由于三維電池的輕便性、靈活性，并可制成各種形狀，三維電池能提供的蓄能應(yīng)用方式是以前無法想象的。 普列托的三維固態(tài)電池代表當(dāng)今電池的兩大根本出發(fā)點(diǎn)：制造材料和制造工藝。 在落基山脈（Rocky Mountain）山麓之下的普列托實(shí)驗(yàn)室，一列八臺(tái)淺充水箱放置在一個(gè)凹陷臺(tái)上，旁邊是一個(gè)機(jī)架，放有密度不同的泡沫銅輥。泡沫是制造電池的原材料，其上由銅銻合金制成的陽極是經(jīng)過電鍍處理的。泡沫是多孔結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)主要是空氣，但一小塊泡沫可以包含一個(gè)巨大的表面積。表面積增加，縮短了離子必須移動(dòng)的距離，從而增加電能和能量密度。 一旦泡沫涂覆有陽極，就有了聚合物電解質(zhì)夾層，為離子（但不是電子）移動(dòng)提供了物理屏障。最后，陰極由一種漆黑漿料制成。最終產(chǎn)品是一個(gè)泡沫電池，幾英寸寬，有一張紙那么厚。普列托電池密封在塑料薄膜里，可以快速充電，可存儲(chǔ)的單位電能是常規(guī)電池的兩倍，并且不會(huì)像鋰離子電池一樣有過熱傾向。 采用多孔材料制造電池組件的的想法并不新鮮：例如，許多常規(guī)鉛酸電池也采用鉛泡沫制造陽極。用多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造完整電池的概念源于黛布拉·羅里森（Debra Rolison）。她是海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory）的研究化學(xué)家，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)電化材料科。 羅里森于20世紀(jì)90年代早期開始研發(fā)制造燃料電池的新型催化劑材料，并于1998年提出將陰極材料插入碳?xì)饽z多孔材料可制成三維電池。當(dāng)她第一次提出這個(gè)想法時(shí)，她說：“99％的人都認(rèn)為我腦袋進(jìn)水了。”但是，現(xiàn)在許多研究人員正在試驗(yàn)這個(gè)想法，其中一些人采用了新型材料，如波托貝洛蘑菇（portabella mushrooms）和木漿纖維（cellulose from wood pulp）。 哈佛大學(xué)研究員麥克斯·哈梅德（Max Hamedi）正在研究用木漿制成彈性泡沫電池。他說：“普列托等三維電池技術(shù)有超過二維系統(tǒng)構(gòu)建的任何電池的潛力。這項(xiàng)工作才剛剛開始�！� 普列托從一開始就設(shè)法簡化，采用常見材料和低成本制造工藝，這樣可以很容易實(shí)現(xiàn)規(guī)�；Ｔ摴镜牡谝粋�(gè)產(chǎn)品并不是一個(gè)完整電池，而是一個(gè)插入式泡沫銅替換型陽極，可以取代傳統(tǒng)電池里的石墨陽極。 9月，普列托宣布與英特爾（Intel）建立合作關(guān)系，這使該公司可借鑒芯片制造商英特爾技術(shù)和制造集團(tuán)的專業(yè)知識(shí)。普列托創(chuàng)始人說，公司第一款替換性陽極預(yù)計(jì)于2016年年末上市，完整電池可能會(huì)在2018年上市。 當(dāng)然，還有其他企業(yè)在推動(dòng)固態(tài)電池創(chuàng)新。Sakti3正在研發(fā)固態(tài)鋰離子電池。該電池是常規(guī)系統(tǒng)的1/2到1/3大小，但蓄電能力與常規(guī)電池一樣。 總部位于加州的新創(chuàng)公司Seeo專注研發(fā)帶有鋰金屬陽極的固態(tài)電池。該公司最近被汽車行業(yè)的主要供應(yīng)商之一博世（Bosch）收購。然而，這些公司都沒有采用三維泡沫結(jié)構(gòu)。 “我們看到普列托技術(shù)有潛力推動(dòng)可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新，其中具有高能量密度的固態(tài)電池會(huì)有引人注目的新用途，”英特爾內(nèi)部企業(yè)孵化器總經(jīng)理馬克·蓬塔雷利（Mark Pontarelli）說，“采用泡沫銅制造的電池正好可以填補(bǔ)某項(xiàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的空白，從而在不增加產(chǎn)品體積的前提下提高電池壽命�！� 蓬塔雷利表示，三維電池最開始的應(yīng)用范圍可能較小，例如，可穿戴系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品，但沒有任何明顯理由限制泡沫電池應(yīng)用到電動(dòng)車，甚至是電網(wǎng)級(jí)別的蓄能系統(tǒng)上。 |
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