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韓國科學家開發(fā)新型鋰電池充電速度最高提升120倍

韓國蔚山國家科學技術(shù)學院近日開發(fā)出一種快速充電碳化鋰離子電池，比普通鋰電池的充電速度快30～120倍。該研究團隊相信，他們可以用新型鋰電池為電動汽車制造一個電池組，未來給汽車充滿電僅僅需要一分鐘。這項研究成果發(fā)表在國際性期刊《應(yīng)用化學》周刊上。

充電電池的一個主要問題是電池越大，充電時間越長。通過將大電池分成數(shù)個很小的電池，或許就可以解決這個問題。韓國科學家采用了一種納米微粒制作電池。傳統(tǒng)的電池是用粉末狀的納米粒子材料來形成能夠儲存和釋放能量的緊密多層的結(jié)構(gòu)。新型電池也使用同樣的納米粒子材料，但這種材料首先在含有石墨的溶液中分解，之后碳化形成覆蓋電池電極的緊密導體網(wǎng)絡(luò)。

具體來說，韓國科學家使用陰極材料——標準的鋰錳氧化物(LMO)，把它浸泡在一種含有石墨的溶液中。然后，將經(jīng)石墨浸泡的鋰錳氧化物進行碳化處理，石墨就會變成一個穿越陰極的導電網(wǎng)。這個新陰極接著被電解質(zhì)和石墨陽極包起來。整個碳化石墨網(wǎng)絡(luò)就像血管一樣運作，允許電池的每個部分同時充電，結(jié)果就是，新電池中所有能夠蓄積能量的粒子都能在同一時間補充電量。而傳統(tǒng)電池中同樣的粒子則是按照從最外層到最里層的順序依次充電，這樣，新電池充電所需時間只占到了現(xiàn)有電池充電所需時間的1/30～1/120。電池的能量密度和循環(huán)壽命等因素似乎都沒有變化。

無論從哪點來看，這都是一種標準的鋰電池，這種技術(shù)可以應(yīng)用在各種采用鋰離子電池的設(shè)備中?！斑@項研究的不同凡響之處在于，它克服了現(xiàn)有鋰電池的局限性，”蔚山國家科學技術(shù)學院的教授邱宰非(音譯)說，“我們將進一步開發(fā)出能在一分鐘內(nèi)完成充電的電動車新型充電電池?！?/p>

美國科學家發(fā)現(xiàn)硅海綿可替代鋰離子電池中的石墨組件

據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，美國萊斯大學的科學家研究出一種方法，用硅海綿替代石墨作為鋰離子蓄電池內(nèi)的元件，研制出持續(xù)時間更長且性能更強的電池，用于商用電子設(shè)備和電動汽車上。

硅是地球上最常見的元素之一，能替代石墨作為電池內(nèi)的陽極。此前該研究團隊就發(fā)現(xiàn)，多孔硅吸收鋰的能力是石墨的10倍。這是因為硅吸收鋰離子后會延展，像海綿一樣的構(gòu)造賦予硅在電池內(nèi)部生長的余地，同時也不會對電池的性能造成損害。2010年，該團隊發(fā)現(xiàn)當硅海綿擁有1微米寬、12微米深的小孔時，能在電池領(lǐng)域大展拳腳，但當時的固體硅基座無法吸收鋰，仍然有待改進。

在最新研究中科學家發(fā)現(xiàn)，用來制造這些小孔的電化學蝕刻過程能將硅海綿同基座分開，基座接著可以被重新使用，制造出更多硅海綿。研究人員稱，從一個標準的250微米厚的硅晶圓上，至少可以提取出4塊這樣的硅海綿。而硅海綿從硅晶圓上提取出來后，上、下都是打開著的，通過將其浸入導電的聚合物黏結(jié)劑聚丙烯腈內(nèi)，就可大大增強其導電性。

科學家由此得到了一塊堅硬的薄膜，它能依附到一個集電器上并放置于電池結(jié)構(gòu)內(nèi)，最終制造出了一款鋰離子電池，其放電能力高達1260毫安時/克，這使其使用壽命更長。

研究人員在比較中發(fā)現(xiàn)，未使用薄膜的電池，其初始放電比容量是757毫安時/克，但第二次充放電循環(huán)之后，放電容量就開始迅速下降，在經(jīng)過15次循環(huán)后消失殆盡；而經(jīng)過處理的薄膜在4次循環(huán)后即開始增加放電容量，多孔硅表現(xiàn)得特別明顯，經(jīng)過20次循環(huán)后，電池的放電容量仍然完好無損。

目前，科學家正在研究能大大增加充放電循環(huán)次數(shù)的技術(shù)，希望能研發(fā)出可持續(xù)使用幾年的電池。

日本欲整合資源量產(chǎn)鋰電池材料

日本吳羽、可樂麗和伊藤忠商事將聯(lián)合政府系基金“產(chǎn)業(yè)革新機構(gòu)”，量產(chǎn)能使電動汽車等環(huán)保車充電時間減半的鋰電池尖端材料。計劃在日本、中國和北美啟動新工廠建設(shè)，今后還將呼吁日本相關(guān)材料廠商廣泛加盟。

日企在環(huán)保車和相關(guān)材料領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但中韓企業(yè)緊追其后。日本希望通過民間企業(yè)與政府系基金聯(lián)手將尖端技術(shù)集中起來確保其主導地位。此次聯(lián)合建立的新公司量產(chǎn)的是電動汽車和混合動力車用鋰電池的主要負極材料。計劃出資200億日元建設(shè)新工廠，其中“產(chǎn)業(yè)革新機構(gòu)”將出資100億日元，成為出資50%的最大股東。

吳羽等公司已開發(fā)出將植物材料加工成碳用作負極材料的技術(shù)，除了可以將插電式混合動力車等環(huán)保車的充電時間縮短一半以外，電池耐用性也可以提高3成。

聯(lián)合公司將從2014年開始在日本國內(nèi)進行量產(chǎn)，之后在中國和北美等地建廠生產(chǎn)。預(yù)計使用新技術(shù)生產(chǎn)的電池將裝配在日產(chǎn)和本田的電動車及混合動力車上。

聯(lián)合公司除了生產(chǎn)新型負極材料外，還將廣泛呼吁在鋰電池其它主要材料方面擁有全球較高市場份額的日本材料廠商加盟，基本構(gòu)想是在2017年之前實現(xiàn)各日企匯總技術(shù)共同開發(fā)基礎(chǔ)部件，目前已與部分廠商展開協(xié)商。

膠體量子點太陽電池轉(zhuǎn)換效率創(chuàng)造新紀錄

加拿大多倫多大學和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的科研人員稱，借助在膠體量子點薄膜領(lǐng)域獲得的突破，他們利用低價材料制成了迄今為止效率最高的膠體量子點太陽電池，轉(zhuǎn)換效率可達7%。這比此前同類電池的轉(zhuǎn)換效率提升了37%，創(chuàng)造了新的世界紀錄。相關(guān)研究報告發(fā)表在近期出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。

量子點是納米尺度的半導體，基于包括可見光和不可見光在內(nèi)的全光譜收獲電能。與目前緩慢而高昂的半導體生產(chǎn)技術(shù)不同，膠體量子點薄膜的制造速度很快，成本也低。這為制造基于靈活、柔性基座的太陽電池鋪平了道路，與報紙的大量印刷具有異曲同工之妙。此前，膠體量子點太陽電池的性能一直被薄膜內(nèi)納米粒子較大的內(nèi)表面面積所制約，而科學家此次通過將有機化學和無機化學相結(jié)合，完全覆蓋了所有暴露的表面，從而實現(xiàn)了新的突破。

為了提升效率，研究人員需要一種方式來減少電子陷阱的數(shù)量，同時確保薄膜十分密實以盡可能多地吸收光線，即所謂的“混合鈍化處理”解決方案。此次研究的主導者、多倫多大學電子工程系教授泰德·薩金特表示，通過在合成量子點后立即引入小個氯原子，能夠修補以前無法觸及的角落和裂縫，使其不再形成電子陷阱。然后科學家會利用短的有機鏈來約束薄膜中的量子點，使其更為緊湊。阿卜杜拉國王科技大學的研究也證明，“混合鈍化處理”方式能夠制造出內(nèi)部緊湊堆積納米粒子的最密集的薄膜，這有助于制造出更經(jīng)濟、更高效耐用的太陽電池。

瑞士聯(lián)合歐洲13國進行光伏薄膜電池技術(shù)攻關(guān)

最近，瑞士國家材料科學與技術(shù)實驗室(EMPA)聯(lián)合歐洲13國向歐盟遞交了先進太陽能薄膜電池以及光伏發(fā)電裝置的申請。該項目申請歐盟投資1000萬歐元，旨在開發(fā)出價格更便宜、效率更高的太陽電池材料和薄膜生產(chǎn)技術(shù)，以降低光伏發(fā)電裝置的成本，提高歐洲在光伏發(fā)電領(lǐng)域的競爭力。

EMPA已通過研究證實，薄膜太陽電池與傳統(tǒng)的硅太陽電池相比，更有效利用材料和降低光伏發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)成本的可能性更大，比如用硫族材料中的銅銦鎵硒制成吸光薄膜，其厚度僅為硅太陽電池的1/100。然而目前的生產(chǎn)方式通常是基于真空沉淀過程，很難形成大面積，而且需要昂貴的生產(chǎn)設(shè)備。為了解決這個問題，該研究項目將研發(fā)用電子法替代真空法沉淀納米結(jié)構(gòu)材料的薄膜技術(shù)，并使新技術(shù)具有應(yīng)用性和推廣性。

該項目將于2015年年中完成。EMPA此項目研究負責人Ayodhya Tiwari介紹，該關(guān)鍵技術(shù)的突破，不僅可提高光伏薄膜電池及光伏發(fā)電設(shè)備效率、減少生產(chǎn)費用，而且可以廣泛運用在其它領(lǐng)域，比如用來制造智能窗和電池等。

零售商開始銷售Horizon便攜式微型燃料電池產(chǎn)品

新加坡Horizon Fuel Cell Technologies日前宣布，該公司的突破性微型燃料電池產(chǎn)品開始店內(nèi)銷售，包括Horizon MINIPAK微型燃料電池充電器、HYDROSTIK儲氫罐和HYDROFILL個人加氫機，這對該公司和整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說都是一個重大的里程碑。

Horizon的產(chǎn)品自兩年前在國際消費電子展(CES)上亮相以來，已經(jīng)在設(shè)計上取得了很大的改觀，成本也大幅降低，并且還獲得了CE認證。開始銷售Horizon便攜式微型燃料電池產(chǎn)品的主要零售商包括北美最大的戶外休閑用品零售連鎖企業(yè)REI。很多銷售店面都準備在美洲、歐洲和亞洲出售Horizon的產(chǎn)品。

零售價99美元的MINIPAK是世界上成本最低的燃料電池電源產(chǎn)品，也是唯一使用可充裝金屬氫化物燃料罐的產(chǎn)品。它采用了無毒燃料或材料，經(jīng)國際航空運輸協(xié)會核準可用于客艙。該產(chǎn)品為出門在外的專業(yè)人士提供實用的便攜式能源，在進行徒步旅行、露營或經(jīng)過偏遠地區(qū)等沒有電力供應(yīng)的情況下，這款產(chǎn)品能提供更持久的電力。與周圍空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)后，MINIPAK燃料電池將儲氫罐(HYDROSTIK)中的氫轉(zhuǎn)換成電和微量的水，所產(chǎn)生的電力通過標準的5 V USB介面提供給用戶。

可反復(fù)使用的HYDROSTIK儲氫罐成為所有微型燃料電池的標準，將運用到更多創(chuàng)新型的Horizon設(shè)備中。HYDROSTIK儲氫罐含有金屬合金，將氫吸附到其晶體結(jié)構(gòu)中，并以低壓的方式將氫釋放出來。這是一種可逆儲氫方法，針對任何形式的氫儲存提供最高能量密度，其能量密度甚至高于液態(tài)氫。與傳統(tǒng)電池不同的是，這些儲氫罐能夠以更低的成本儲存更多的能源，并且不包含任何對人體有害的重金屬或有毒液體。Horizon公司還與全球性的麻省理工學院微觀裝配實驗室(MIT FAB LAB)和英國的Arcola Energy聯(lián)手展開了一個以HYDROSTIK儲氫罐為核心的產(chǎn)品開發(fā)項目。

更令人驚喜的是，HYDROFILL個人加氫機可對HYDROSTIK儲氫罐進行反復(fù)充裝，這與一次性燃料罐相比有明顯優(yōu)勢。HYDROFILL是一種微電解裝置系統(tǒng)，可以自動為HYDROSTIK金屬氫化物燃料罐補充燃料。它含有一個標準的交流電插頭，也可接受小型太陽電池板或風力渦輪機產(chǎn)生的直流電。

未來幾年內(nèi)，Horizon計劃采用各種原料，如甲醇、丙烷、天然氣，未來還有可能是生活垃圾，來打造一款低成本、隨需供氫的無線解決方案。Horizon創(chuàng)辦人之一Taras Wankewycz說：“想像一下，永遠不必去加氫站是什么樣的感覺。HYDROFILL只是一個開始，未來我們將帶來更多創(chuàng)新?！?/p>

美國將研制太陽電池與燃料電池軍用發(fā)電機組

美國洛克希德·馬丁公司與美國海軍研究辦公室簽訂了一份合同，將設(shè)計和研發(fā)固體氧化物燃料電池發(fā)電機組，以替換傳統(tǒng)的戰(zhàn)場發(fā)電設(shè)備。洛克希德·馬丁公司計劃將燃料電池技術(shù)與太陽能板集成，為軍方提供執(zhí)行任務(wù)所需的電力，同時極大地減少燃料的使用量。

目前，全世界使用超過10萬部軍用發(fā)電機，為照明、空調(diào)、計算機、無線電臺以及指揮與控制系統(tǒng)等供電。固體氧化物燃料電池能夠通過化學反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)化為電能，其效能比當今戰(zhàn)場上燃料消耗最大的柴油發(fā)電機所使用的內(nèi)燃機高出30%～50%。由于燃料電池僅需較少的燃料就能產(chǎn)生等量電力，因此有望節(jié)省數(shù)十億美元的作戰(zhàn)成本，同時減少軍方運送燃料的人員的傷亡。

固體氧化物燃料電池發(fā)電機組的研發(fā)項目為期32個月，研制工作完成后，洛克希德·馬丁公司將演示和交付1套多千瓦級JP-8兼容燃料電池高效電源，供美國海軍陸戰(zhàn)隊評估使用。該合同價值約300萬美元，旨在使戰(zhàn)術(shù)發(fā)電所需的燃料總使用量減少50%以上。

新型超薄固體氧化物燃料電池在氫燃料耗盡后仍可發(fā)電

哈佛大學材料科學家通過采用低溫運行和使用納米結(jié)構(gòu)氧化釩作為陽極材料，研發(fā)出一種新型超薄固體氧化物燃料電池，既可發(fā)電，也可以存儲電化學能量，即使氫燃料耗盡仍可持續(xù)運行一段時間。

傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池使用鉑做電極，在電化學反應(yīng)停止之前，電池只能發(fā)電約15秒。新型固體氧化物燃料電池使用鉑和氧化釩雙層陽極，在沒有燃料的情況下，可以繼續(xù)運行的時間高達14倍以上（3分30秒，電流密度0.2 mA/cm2）。研究人員認為，理論上這種氫燃料電池可用于小尺寸便攜式設(shè)備，如無人機，因為額外提升儲存能量，可以顯著延長設(shè)備的使用時間。研究人員將在兩年內(nèi)對該電池進行應(yīng)用測試。

美國宇航局開發(fā)汽車氫氣燃料電池

英國牛津的Cella Energy公司和美國宇航局的肯尼迪航天中心達成協(xié)議，共同開發(fā)氫氣燃料技術(shù)，目標是將來能夠在大部分交通工具上運用這項技術(shù)，比如汽車、飛機甚至是宇航服上。

Cella Energy在美國有一家子公司，該公司研究氫氣的儲存技術(shù)，將氫氣儲存在由氫化物材料制成的小球里，能夠很好地將氫氣在常溫下以液體形式保存。不過該公司仍然有一定的技術(shù)障礙需要克服。項目的最后一步就是要將儲存在氫化物小球中的氫氣應(yīng)用到汽車燃料電池中，通過氫氣和氧氣的結(jié)合來產(chǎn)生電力。而這恰恰是肯尼迪航天中心最擅長的科技工作，他們曾在太空飛船上采用過這項技術(shù)。

肯尼迪航天中心的合作發(fā)展經(jīng)理Robert Hubbard認為這項技術(shù)擁有巨大潛力，并表示在測試中，氫氣被儲存在氫化物小球中，化學狀態(tài)非常穩(wěn)定。他還表示如果該技術(shù)能夠成功推向市場，那么整個汽車市場的氫氣儲存和燃料電池工業(yè)將被帶動起來，向更安全更簡便的目標前進。

Cella Energy和美國宇航局簽署的協(xié)議稱為“太空行動協(xié)議”，該協(xié)議有效期為5年。

丹麥推出全新電動汽車一次充電行駛800公里

丹麥三家公司聯(lián)合推出了一款全新的電動汽車，充一次電就可以行駛800公里，讓電動汽車從此“揚眉吐氣”。

這款QBEAK蓄電池/燃料電池演示車使用生物甲醇來改善電池的連續(xù)使用時間。其中一家研發(fā)公司的首席執(zhí)行官摩根斯·洛克介紹說，生物甲醇要比汽油和柴油好用得多，因為它們產(chǎn)生的二氧化碳會少很多。生物甲醇由燃料電池轉(zhuǎn)化生成電能，這一過程中產(chǎn)生的廢氣熱量則被用來給汽車的暖氣和空調(diào)設(shè)備供能。燃料電池設(shè)計師邁德斯·弗里斯·詹森也強調(diào)說，生物甲醇的確是一種更加便宜而且充足的燃料，二氧化碳排放比汽油降低70%以上。

除此之外，新型電動車在技術(shù)上還得益于一項創(chuàng)新性的底盤設(shè)計。摩根斯解釋道：“我們使用的不是一塊固定的蓄電池，而是在底盤上設(shè)置了6組電池模塊，可以使用模塊中的電池或者用其它任何種類的能源為其充電。憑借我們先進的制造技術(shù)，可使該車達到真正的輕量級，只有425公斤，而充一次電能行駛的路程將達到前所未有的800公里?！?/p>

QBEAK電動車還采用專利技術(shù)的輪式驅(qū)動電動馬達，最高時速可達120公里。據(jù)悉，這款車在今年五月份就已經(jīng)吸引了英國查爾斯王子的注意。當時他正在丹麥訪問，他對這款電動車表現(xiàn)出了濃厚的興趣。

美國能源部聲稱，直接甲醇燃料電池比其它綠色燃料比如氫更好儲存，因為它是一種液體，所以更容易運輸及通過基礎(chǔ)設(shè)施供給。

這款QBEAK蓄電池/燃料電池演示車預(yù)計在2013年問世。QBEAK電動汽車研制項目部門預(yù)計今年晚些時候再推出一款電池充電電動車，續(xù)航里程可達300公里。

新型鎳鐵電池電極材料提高充放電速度近千倍

美國斯坦福大學最近發(fā)明了一種新型鎳鐵電池電極材料，能在2分鐘內(nèi)完成充電，30秒內(nèi)完成放電，提高充放電速度近千倍。

這項發(fā)明由斯坦福大學化學系教授戴宏杰和他的博士生王海梁等研究人員完成。由王海梁擔任第一作者的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。王海梁介紹說：“新技術(shù)可作為電動汽車鋰電池的補充，提高啟動效率，在加速時快速提供能量，或在剎車時快速存儲能量。此外，可作為飛機、坦克、導彈和火箭等軍用產(chǎn)品的啟動電源。它在手機和電腦等小型電器上也將有很大的使用前景，幾分鐘內(nèi)解決原本需要數(shù)小時的充電過程。”

愛迪生早在1901年就發(fā)明了價格低廉、安全性能好的鎳鐵電池，能持續(xù)充電并保持長時間壽命，被大量使用在鐵路、礦業(yè)和電動汽車上。但這種電池存在充放電速度慢、單位體積儲存電能少和充電效率低的缺點。戴宏杰和他的研究團隊正好解決了鎳鐵電池充放電速度慢的缺陷。他們在碳納米管或石墨烯等新型碳納米材料上生長活性電極材料的納米晶體，這種復(fù)合電極材料具有傳統(tǒng)電極材料無法比擬的優(yōu)異電化學性能。

王海梁說：“新型電極材料和傳統(tǒng)電極材料具有同樣的化學成分，工作原理也一樣，但它們的結(jié)構(gòu)不一樣。納米晶體在石墨烯或碳納米管上的控制生長以及它們之間的相互化學作用，可有效促進電荷轉(zhuǎn)移和電子傳輸，從而極大提升材料的電化學性能，使充放電速度提升近千倍?！?/p>

迄今最輕的石墨材料問世 由99.99%的空氣構(gòu)成

英國基爾大學和德國漢堡科技大學的科學家們研制出了迄今為止全球最輕的材料“飛行石墨”(Aerographite)，其密度僅為0.2毫克/立方厘米，雖然它看起來像一塊黑色不透明的海綿，但卻是由99.99%的空氣構(gòu)成。研究人員表示，新材料性能穩(wěn)定，具有良好的導電性、可延展性而且非常堅固，因此可廣泛應(yīng)用于電池、航空航天和電氣屏蔽等領(lǐng)域。該研究成果發(fā)表在《先進材料》雜志上。

“飛行石墨”是由多孔的碳管在納米和微米尺度三維交織在一起組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，盡管質(zhì)量很輕，但彈性卻非常好，擁有極強的抗壓縮能力和張力負荷。它可以被壓縮95%，然后恢復(fù)到原有大小。它還能吸收幾乎所有光線。

因為其獨具的特性，“飛行石墨”可以被安裝在鋰離子電池的電極上，這就使電池需要的電解質(zhì)溶液很少，電池的質(zhì)量由此大為減輕，得到的小電池可以用在電動汽車或電動自行車上。其未來的應(yīng)用領(lǐng)域還包括讓合成材料具有導電性，困擾很多人的靜電干擾可能會因此得以避免。

另外，“飛行石墨”還可以應(yīng)用于航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域所用的電子設(shè)備上，因為這些設(shè)備必須能耐受大量的振動。新材料也有望應(yīng)用于水凈化方面，作為吸附劑吸附水中的污染物，因為它能氧化或分解并移除水中的污染物。其卓越的力學穩(wěn)定性、導電性以及表面積大等優(yōu)點也會讓科學家們大大受益，甚至還可以用于恒溫箱或通風設(shè)備以凈化環(huán)境空氣。