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鋰電池新改造:iPhone電量支撐一周

作者: 時(shí)間:2011-12-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

鋰電池新改造:iPhone電量支撐一周

  經(jīng)過夾心和鉆孔處理的新型鋰離子電池,其儲電量和充電速度比原來都提高了10倍

  多年來,電池一直是大多數(shù)電子消費(fèi)品的薄弱環(huán)節(jié)。以智能手機(jī)為例,雖然技術(shù)日新月異,手機(jī)已經(jīng)可以直接觀看高清影像,但是看不了多久就要充電。筆記本電腦雖然裝上了雙核、能夠揮灑自如地執(zhí)行多任務(wù),但只要全力運(yùn)行幾小時(shí),內(nèi)部的電池就會(huì)耗盡。我們都經(jīng)歷過這樣的尷尬――等待重要來電時(shí),手機(jī)卻沒電了;最喜歡的歌曲快要開始,iPod的指示燈卻滅了;死命跑到咖啡館,只為給筆記本電腦充電。多虧美國一組科學(xué)家最近取得的突破,這樣的尷尬將會(huì)越來越少。

  著眼源頭,巧用夾心

  這個(gè)研究組來自芝加哥的西北大學(xué),研究帶頭人是芝大化學(xué)和生物工程系的教授哈羅德??撞┦浚℉arold Kung)??撞┦亢退耐市?,通過在電池中添加新的材料,他們已經(jīng)能讓電池的儲電量和充電速度大大提高。近期的《高級能量材料》(Advanced Energy Materials)雜志上刊登了對這項(xiàng)創(chuàng)新的介紹,執(zhí)筆的孔博士等人在文中對新技術(shù)做了詳細(xì)描述。

  這項(xiàng)研究的對象是鋰離子電池?,F(xiàn)在市場上的大多數(shù)可充電設(shè)備都靠鋰離子電池供電,以目前的技術(shù)而論,它有兩個(gè)主要缺陷:一是電力供應(yīng)有限,二是充電速度緩慢。眼下正有越來越多的消費(fèi)者使用智能手機(jī)和平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)密集的操作,比如看電影、玩游戲、上網(wǎng)瀏覽等等。因此,電池的性能自然就成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

  為了提高用電效率,廠商紛紛在自己的產(chǎn)品上動(dòng)起了腦筋,例如蘋果就剛剛完成了4S的軟件更新,以解決耗電過快的問題;不久前發(fā)明的E-MiLi技術(shù)可以阻止手機(jī)在休眠模式下搜索信號,從而延長電池的續(xù)航能力;新問世的硅芯片可使處理器的效率倍增,讓設(shè)備在不耗盡電池的前提下完成密集操作;手機(jī)廠商甚至研發(fā)了透明的太陽能顯示屏貼膜,讓智能手機(jī)能在陽光中充電。

  以上創(chuàng)意的出發(fā)點(diǎn)都是提高設(shè)備的用電效率;而孔博士等人的目標(biāo),則是增強(qiáng)電池本身的性能,從源頭上解決電力不足的問題。

  顧名思義,鋰離子電池就是內(nèi)部含有鋰離子的電池。每一塊鋰離子電池的正極都安裝了好幾層名叫“石墨烯”的材料,石墨烯是層層疊疊的碳原子,鋰離子位于這些碳層之間,每當(dāng)電池充電或者耗電時(shí),它們就從一個(gè)碳層移動(dòng)到另一個(gè)碳層。充電,就是將鋰離子送往電池正極的過程,當(dāng)所有離子都抵達(dá)正極,電池就充滿了。而在設(shè)備投入使用的時(shí)候,電池中的鋰離子就開始逐漸向負(fù)極移動(dòng),當(dāng)它們?nèi)康诌_(dá)負(fù)極,電力即告耗盡。

  孔博士和同事的目標(biāo)是增加鋰離子電池的能量密度;換言之,如何在電池中儲存更多能量,以及如何更快地將能量存入取出。他們決定從改變電池正極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手。

  鋰離子電池的儲電量是由電池內(nèi)部的鋰離子數(shù)量決定的。在由石墨烯組成的傳統(tǒng)鋰離子電池中,每六個(gè)碳原子可容納一個(gè)鋰原子。為了增加儲電量,科學(xué)家試過用硅來替換碳;硅的容量比碳大,每四個(gè)硅原子就能容納一個(gè)鋰原子,因此更善于儲電,但硅也有它的缺點(diǎn),就是會(huì)在充電時(shí)膨脹收縮、發(fā)生碎裂,從而使電池迅速失去電力。

  為了解決這個(gè)兩難問題,孔博士和同事想到了“夾心”的辦法:他們將細(xì)小的硅簇夾在兩層石墨烯中間。在充電和放電過程中,石墨烯和硅簇一起膨脹、收縮,卻又不至于破裂。這樣一來,不僅硅的形態(tài)得以保持穩(wěn)定,穿梭于電池中的鋰離子數(shù)量也增加到了最大??撞┦扛嬖V記者:“這辦法算是博采兩家之長,既用硅片提高了能量密度,又用夾心手法減少了硅的伸縮造成的電力損失?!?/FONT>

  至此,儲電量的問題得以圓滿解決,那么,如何才能讓充電速度更快呢?長久以來,鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態(tài)的制約:電池中的石墨烯片非常薄,厚度只有一個(gè)原子,相比之下,他的面積就顯得相當(dāng)龐大了。充電時(shí),鋰離子必須繞過面前的石墨烯片才能就位,它要先向外移動(dòng)到石墨烯片的邊緣處,然后回到兩片石墨烯中間停留,這個(gè)過程耗時(shí)漫長、頗費(fèi)周張,導(dǎo)致石墨烯片的邊緣經(jīng)常發(fā)生“交通阻塞”。

  有鑒于此,研究人員自然想到了疏導(dǎo)交通的方法――既然決定充電時(shí)間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動(dòng)速度,那為何不給這些離子開辟幾條捷徑呢?運(yùn)用化學(xué)氧化過程,他們在石墨烯片上鉆出了數(shù)以百萬計(jì)的小孔,每一個(gè)小孔的直徑都在10到20納米之間。這樣一來,鋰離子就能更加自由地在電池中穿行,充電速度也隨之提高了。

  經(jīng)過夾心和鉆孔處理的鋰離子電池,其儲電量和充電速度都提高到了原來的10倍。

  缺點(diǎn)有限,前途無量

  新技術(shù)雖然填補(bǔ)了鋰離子電池的現(xiàn)有缺陷,但它本身卻并非完美無缺――在充電150次之后,它的儲電量和充電速度都會(huì)驟降。但孔博士認(rèn)為缺點(diǎn)有限,瑕不掩瑜,他說:“即便在經(jīng)過了一年多的使用和150次的充電之后,新電池的效率仍比市場上現(xiàn)有的鋰離子電池高出5倍?!?/FONT>

  自論文發(fā)表、成果公布之后,孔博士就一直忙著招架風(fēng)投公司的邀約。業(yè)界已經(jīng)等不及要將這項(xiàng)成果商業(yè)化,將新電池投入批量生產(chǎn)了。參與研究的科學(xué)家則認(rèn)為新技術(shù)尚不成熟,現(xiàn)在投產(chǎn)為時(shí)過早。他們指出,迄今完成的工作都集中在對電池正極的改良――也就電池供電時(shí)、電流進(jìn)入電池的那一極,眼下需要的是繼續(xù)研究電流流出的負(fù)極,以期進(jìn)一步提高電池性能??撞┦空J(rèn)為,如果進(jìn)展順利,新產(chǎn)品有望在三到五年內(nèi)走進(jìn)商場。

  一旦投產(chǎn)上市,它會(huì)對我們的日常生活產(chǎn)生什么影響呢?首先肯定是讓各種電子產(chǎn)品更加經(jīng)久耐用、充起電來更加快捷。未來的智能手機(jī)只要15分鐘就能充足電量,還能持續(xù)使用一周的時(shí)間。

  從另一方面看,就算將電池的尺寸縮小為現(xiàn)在的1/10,它的性能也可保持不變。只要見過iPad或者智能手機(jī)的電池,就會(huì)明白電池是阻礙電子產(chǎn)品小型化的重要因素。新技術(shù)一旦推廣,許多產(chǎn)品的體積都有望顯著縮小,到時(shí)候,手提電腦和助聽器就再也不需要攜帶那一塊塊沉甸甸的電池了。

  不過,孔博士的心底還醞釀著更大的理想。他希望這種新型充電電池能以其更大的容量、更短的充電時(shí)間革新電驅(qū)動(dòng)轎車技術(shù)。

  “如果你的電驅(qū)動(dòng)轎車不用每跑60英里(96.5公里)就充一次電,而是可以一連跑上600公里,那么電動(dòng)轎車就會(huì)比現(xiàn)在好用很多。你不用在家充完電再上路,只要中途在加油站稍停片刻、充個(gè)15分鐘的電就行。如果能做到這一點(diǎn),消費(fèi)者接受電動(dòng)車的阻力就會(huì)減小?!?/FONT>

  他還指出,高品質(zhì)的電池不僅可以推廣電動(dòng)車,還能將太陽能和風(fēng)能這些再生資源產(chǎn)生的電力儲存起來。這將使人類減少對化石燃料的依賴,在降低大氣中的碳排放的同時(shí),減少對進(jìn)口石油的依賴。

  “有了儲存電力的簡單方法,我們這個(gè)電力世代就能更加倚重那些再生資源了。”他如此展望。



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