用可乐跑汽车

谭玉龙

技术专家们正在绞尽脑汁用各种各样方法让电池更新换代,一场电子设备的革命正悄悄来临。在不远的将来,可乐就可以帮汽车行驶几百公里。

如果你对电池的感觉还停留在手电筒里圆柱形干电池的印象中,那实在是太落伍了。从最早我们熟知的铅酸电池到后来的镍镉电池、镍氢电池,再到如今手机里清一色的锂电池,以及研发与实用并重的太阳能电池、燃料电池,结合人们的需要和当前的实际困难,各类电池正在发展中形成并体现着各自的特色,最大程度地展现了科技、实用等优点。

手机电池——风生水起

随着3G业务在国内的全面开展,手机的功能已极大丰富。如今制约手机使用的瓶頸已经不是手机技术,而是手机电池。如何在更有限的空间里提高电池的能量,满足人们对各种手机功能更长久的使用,成为了当务之急。

现在普遍采用的手机电池是锂离子电池和镍氢电池,前者几乎覆盖了中国和东亚、东南亚地区的所有手机电池,而后者在欧美地区还有少量的使用。锂离子电池因为具有高工作电压、小体积、无污染、长循环寿命且无记忆效应等优点被广泛应用于手机行业。

传统锂离子电池正负极分别是由锂和碳构成,被电解质浸没包裹,通过电极中正负电荷的流动提供电流。由于锂离子从一个电极抵达另一个电极需要一定的时间,因此充放电都很缓慢。尤其是充电,一般需要好几个小时,因而限制了人们的使用。

今年3月份,美国麻省理工学院的两位科学家发明了一种超级锂电池,通过改变传统电极的表面结构,加速了锂离子释放和吸收速度,使之比原来有了100倍的提升。也就是说,几秒内就可以完成我们过去几个小时的工作。而且,这两位科学家所用的生产材料都是以前锂电池常用的材料,并没有新的消耗和负担,为将来的实际应用奠定了良好的基础。

研发人员说:“以秒计算而不是以小时计算的充电和放电过程,使得这项新型的电池技术将开启新的技术应用之门,其中包括改变人们的生活方式。”该项研究结果已经发表于著名的《自然》杂志上,并已获2家公司授权,预计该项成果可在两到三年内上市。

汽车电池——电动汽车不是梦

随着油价的持续走高以及节能减排成为我国的一项国策,电动汽车势必成为将来的一个发展趋势,很多汽车公司也开始重视电动汽车的研发。但到目前为止,电动汽车还只是在“概念汽车”的领域中,没有得到实际应用。其主要原因,在于电动汽车的“电”——车载电池的容量、成本与安全性等问题。

电动汽车技术可分为纯电动汽车(EV)、混合电动汽车(HEV)和燃料电池汽车技术(FCEV)三个技术流派。

现阶段,混合动力汽车优势较大,因为它对现有汽车技术的改进相对较少,可以起到很好的过渡作用。目前80%的混合动力汽车采用镍氢动力电池,具有功率大、安全性好、循环利用率高、成本低、技术成熟等优点。不过,镍氢电池容量有限,不利于汽车的长途运行。而锂电池实现了大容量、高能量密度等特点,已经被众多汽车厂商所青睐。但其不足之处在于安全性和稳定性不够理想,以及锂作为贵金属生产成本也比较高。

于是全球第一大镍氢电池和镍镉电池生产商比亚迪推出了新型的“铁电池”。它采用铁代替锂,降低了生产成本,但电池容量和功率却与锂电池不相上下。而且它也大大提高了电池的稳定性,在燃烧和碰撞中不会发生爆炸,因此被寄予厚望。据称,搭载了铁电池的首辆比亚迪F3DM双模电动车已于今年3月份在深圳的公路上跑了起来。或许这将真正实现只需插上电就可以跑汽车的梦想。

除了混合动力汽车外,燃料电池汽车是电动汽车的另一个重要方向。今年5月底,美国能源部出台政策,将拨款24亿美元补助相关企业以推动美国电动车燃料电池的技术研发。燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置,也就是说,化学能仅仅通过一个步骤就变为电能,而不是传统的从化学能变为热能,又从热能变为电能,因此能量转换率高达60%至80%。燃料电池具体原理是利用了水电解的逆反应,与其说它是个电池,倒不如说它是个“发电机”。只要通过连续地供给燃料和氧化剂,即可反应获得连续电力。当燃料耗尽时,只需重新注满燃料储备库即可。它的燃料很多样化,像磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及蓄热式燃料电池等许多类型。比如利用甲醇作为燃料,相比于氢气存储更加方便安全,而相比于锂离子能量可提高10倍。另外,科学家研制了一种新的过滤技术,安装了上百个50微米大小的孔洞,可以将反应产生的二氧化碳等废气排到大气中,清除反应副产品,进一步提高了效率。

今年2月份,索尼推出新款燃料电池,融合了锂电池和燃料电池,实现了成本降低与持久续航的双重目标。而且还有专门的智能控制芯片在电池工作时切换燃料电池和锂电池部分,从而获得最高的电池效率。

太阳能电池——环保持久

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,是地球上最便捷、最直接的能源,不仅洁净环保,而且取之不尽、用之不竭。从某种程度上说,我们现在所使用的所有能源其根源都是太阳能,而我们人类对太阳能的利用也有上千年的历史,发展到今天已出现了太阳能的光热利用、光电利用和光化学利用等多种形式。

太阳能电池种类很多,目前应用最多、技术最成熟的是晶体硅太阳电池,目前占到市场份额的90%,它的转化效率也最高,实验室多晶硅太阳电池的一般效率已达到20.3%,工业上生产的多晶硅太阳电池的效率也可以达到13%-16%,而且生产技术成熟,质量稳定,即便使用20年,转换效率相对于出厂时也仅仅下降20%。但由于多晶硅太阳电池的材料价格居高不下,加之工艺繁琐,限制了其大规模推广应用的要求。

为了进一步提高效率,降低成本,科学家采用了不同的材料和方法利用太阳能。2009年3月,澳大利亚莫纳什大学(MonashUniversity)的研究人员研发出了聚合物太阳能电池——一款超薄柔性太阳能电池。这种电池和一页纸一样薄,能随意弯曲,非常轻便易于携带运输。而且它部分透明,可以安装在玻璃和窗户上,拓宽了应用范围。因为它能漂浮于水面上,所以既可以覆盖水面又不影响正常发电。

而美国特拉华大学科研人员瞄准了新型的横向光学聚焦系统。今年早些时候,他们宣布最新研制的超高效硅太阳能电池,在标准的陆地日光条件下,其太阳能转换效率高达42.8%。相对于传统太阳能电池,转换效率高出约30%。该系统将吸收到的光束分配于不同的感光材料,能覆盖全部太阳光谱,大大提高了对太阳光的利用率。而且,该系统还有一个静止的宽接收角光学系统,可以接收更多的太阳光。这种固定化而不需要复杂跟踪装置的设备,使其更容易地被安装于手提电脑等便携设备。

据预测,未来几年光伏产业的增长率至少是30%以上,市场前景广阔。

活的电池——生物技术完美体现

除了刚才提到的已产业化的锂电池、燃料电池和太阳能电池等新型电池,科研人员还在积极研发其他类型的电池。比如从生命当中汲取灵感,制备了“活的”生物电池。

在今年2月的“FCexpo2009国际氢·燃料电池展”上,索尼公司展示了相当前沿的糖生物电池。在现场演示中,只需注入普通的可乐就可以发电。这种电池是利用酶分解葡萄糖,提取电子和氢离子进行发电。

早在2007年,索尼公司就曾经发布了一款用葡萄糖(Glucose)做能量来源的生物电池,它以酶为催化剂,从碳水化合物如葡萄糖中产生电力。在今年的新款中,单位体积功率密度提高了1倍,从50mW/40cc提升为70mW/28cc,以前4节电池才能驱动的Walkman扬声器现在只需3节即可。

这种电池更加环保,产物是水,而且酶可以再生,降低了价格。索尼公司看准了生物电池的光明前景,准备在续航能力等方面再加大投入研发,一场电子设备的革命正悄悄来临。或许将来的某一天,我们手中的可乐也可以帮助自己的汽车行驶几百公里。