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颠覆太阳能电池 王中林的纳米电池究竟是个啥?

发表于:2015-12-12    

几乎整整一年之后,王中林终于推出了改进版的纳米发电机 - 它不需要探针的帮助,超声波就可以完成让纳米线发生振动的“使命”:

他们让纳米线在电极板上垂直生长,而与上面的电极的接触面则被设计成了锯齿状,并且覆盖着金属铂。由于纳米线极其纤细,一旦有外界环境震动,无论是超声波,还是人的行走、潮汐的运动,甚至心脏跳动(如果被植入人体内部的话),纳米线受到机械运动产生的动能传导的影响,自身就会产生微小的共振或者说摆动、变形,从而在表面积累起电荷。由于纳米线与上面的电极之间的空隙非常小,形状又是锯齿形的,加上电极本身也会产生上下振动,所以在纳米线摆动过程中,很容易就会碰到上面的铂电极,从而把电流输送出来。

根据最新的设计,在频率为41千赫兹的超声波作用下,分布在2平方毫米面积的氧化铝基片上的500根纳米线的阵列,不仅可以输出强度约一纳安(nA)的连续电流,更可以将电流输出保持一个多小时而没有任何衰减。

他在接受本刊记者采访时表示,这一研究的突破之处,还在于通过将大量的纳米线集中在锯齿状的电极板中间,让纳米线能够同时、连续和独立地吸收外界环境中的机械能,并第一次实现了连续性的直流输出,这也给植入人体、遥感的纳米器械和纳米机器人实现能量自给带来了新的曙光。

近年来,尺寸微小、功耗低、反应灵敏的纳米器件和纳米机器人,一直是纳米学术界的前沿,因为它可以完成微观医疗以及遥感等普通人力难以企及的使命。但对于全球众多的研究者而言,最大的问题是:不管纳米器械做到多小,仍然不得不依赖庞大的外接电源。更不用说由于常规电池多含有毒性物质,使得一些医用纳米微型设备无法植入人体。

如果不能同步实现器件和电源的小型化,让纳米器械进入微观世界,也许只能是纸上谈兵。现在,随着纳米发电机的出现,这一前景重新变得光明起来。

哈佛大学化学系教授查尔斯·莱博(Charles Lieber)指出,这一发明,为如何给纳米器件提供电力这一关键问题,“提出了解决方案”。

电池末日?

虽然到目前为止,水能、风能乃至潮汐能的大规模利用都已经成为现实,但如何将动能直接转化成电能,并驱动便携设备,却一直是个巨大的挑战。

历史最为悠久、应用范围最广的化学电池,是利用电化学反应,将化学能直接转换成电能加以储存,并在使用时将化学能转变成电能。从伏打电池到现在,化学电池经过了十几代的更新,先后出现了锌锰电池、铅酸电池、镍镉、铁镍、银锌、银镉、锂电池、燃料电池等不同种类,它们利用不同金属、不同电解液的电化学反应,实现电能和化学能之间的转化。

“化学电池经过200多年的发展已经比较成熟,性能提高了很多。加上其体积小、携带方便,通过化学的方式储存电能还是最常用的方式。”中国电池工业协会秘书长王敬忠说。

不过,对于大多数化学电池来说,生产和回收过程中所造成的重金属污染,一直是无法克服的难题。

除了化学电池,物理电池包括了利用光电效应将太阳光能直接转换成电能的太阳能电池、利用塞贝克效应将热能直接转换成电能的温差电池,以及将原子核放射能直接转换为电能的核电池等。但至少就目前而言,对于物理电池来说,效率和成本还是两大瓶颈。

采用对人体无害且价格相对低廉的氧化锌作为材料的纳米发电机,显然是开启了一个全新的“窗户”。

在王中林看来,空气或水的流动、引擎的转动、空调或其他机器的运转等引起的各种频率的噪音、人行走时肌肉伸缩能或脚对地的压缩,甚至在人体内由于呼吸、心跳或是血液流动带来的体内某处压力的细微变化,将来都有可能带动纳米发电机产生电能。

 

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责任编辑:solar_robot
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