十年后 手機或可以自己進(jìn)行充電？

　　對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)(McGill University)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經(jīng)驗了。麥基爾大學(xué)采礦與材料工程系教授George Demopoulos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，仍然需要頻繁的充電。

　　這種限制引發(fā)研究人員對于開發(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(jìn)行能量采集與儲存的單一設(shè)備，從而達(dá)到了自充電電池的第一個里程碑。

　　圖1：FTO/LFP NP/DYE電極的示意圖

　　Demopoulos自2010年以來一直與Hydro Quebec合作，進(jìn)行鋰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Andrea Paolella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)太陽能電池一樣。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，研究人員們想知道的是“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對于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(tuán)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4月號的《自然通訊》(Nature Communications)期刊中，研究人員詳細(xì)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(jìn)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(jìn)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)鍵作用?！盌emopoulos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(jìn)一步加以封裝。”

　　他說，這項研究計劃預(yù)計要花大約五至十年的時間?！拔覀儗枰匦略O(shè)計可吸收光的移動設(shè)備?！崩?，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(lán)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)Karim Zaghib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。”而另一個挑戰(zhàn)則是讓電池?fù)碛凶銐虻某潆姶螖?shù)，目標(biāo)是在未來五年內(nèi)達(dá)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，如果你想要在自家發(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，不過還需要更多的考慮，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。