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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    

有数据显示,血液流动产生的能量约为0.93瓦,呼吸也能产生0.83瓦的能量,人行走可以产生67瓦的能量。

而且,相对寿命有限的电池来说,纳米发电机可以工作很长的时间,甚至可以保证人体中的微观器械一生中的能量供应而无需更换。

“纳米线相对于薄膜电源的主要优势,就是它的耐久能力特别高,几乎不会有疲劳效应,所以这样的纳米发电机可以用很长很长时间。”他补充说。

不过,现在就对传统电池说“再见”,显然还远不是时候。中国化学与物理电源协会秘书长刘彦龙表示,现在电池界也不断从材料上对电池进行改进,尽量向无毒、环保的方向努力,新产品也在不断出现。对于新兴的纳米发电机来说,在很多情况下,可能还需要传统电池的配合,才能保证电源在不同环境条件下的持续工作。

莱博教授也指出,和任何研究一样,公众对纳米发电机马上就能实际应用的期待“不要过高”。因为从实验室阶段到完成工程化,乃至真正走入市场,都需要时间,而这个时间表显然也“不容易预测”。

争夺未来

根据王中林的预测,使用纳米发电驱动的微观器械有望在三年内问世,并在五至八年的时间内得到大规模的应用。

“现在小组里的八个学生都放下了手里的其他工作,全力做这个事(纳米发电机)。”中国国家纳米中心的博士生武祥透露。

目前,纳米发电机一次放电过程中,在电阻上的输出电压约为8微伏,一个10微米×10微米大小的纳米线阵列,所产生的功率足可以驱动基于单根纳米线、纳米带以及纳米管的装置。

从理论上说,串联1000根这样的纳米线即可输出8伏的电压,这已经相当于普通干电池的供电能力。但实际情况,却要复杂得多。

王中林表示,从理论上说的确如此,但是串连这么多的纳米线实际上是不现实的。比如,最困难的问题,就是如何让氧化锌纳米线生长得长度一致,如果共同振动的纳米线不能同时接触极板的话,就无法同时将输出电能。

除了进一步改良纳米线的生长方式,让它们在粗细和长度上接近一致,并且让它们极板上均匀分布,以便让尽量多的纳米线可以同时产生电能,他表示,下一步是希望通过进一步改进技术,使得仅用少量的纳米线就可以达到0.5伏到1伏的输出水平,“我相信在1年的时间内,就可以达到这个目标”。

此外,要实现工程化目标,还需要进一步提高纳米发电机的封装水平,以便提高能量转换效率。而更为宏大的目标,则是在诸如人体运动、机械振动和声波等低频振动的情况下,提高能量转化的效率。因为目前氧化锌纳米线的典型共振频率约为兆赫兹,对高频振动更加敏感,其输出电能的效率也相对更高,而如何提供其对人体、水流这样的低频振动的响应,是一个必须解决的问题。

在这样的前沿领域,竞争自然也难以避免,一水之隔的台湾大学奈米科技研究中心的陈永芳教授就是可能的挑战者之一。与王中林有所不同的是,一年前他选择了性质和氧化锌颇为相似的氮化镓来进行自己的纳米发电机实验。

虽然氧化锌的成本比较低,但氮化镓工业上的用途更广,技术上比较成熟,在以电子代工为主业的台湾很容易获得。在接受本刊采访时,陈表示现在还有很多工作要做,“很多困难要克服”。

王中林承认,氮化镓在半导体和压电效应上与氧化锌很相似,但他强调,氮化镓纳米线在生长上的难度比较大,它需要在特别复杂和昂贵的环境。而且,氮化镓还对环境产生污染,“我相信氧化锌还是最好的。”

当然,我们也许应该抛开烦琐的技术细节,在科学允许的范围内,随便畅想一下纳米电源可能带来的未来:

除了完全无线、可生物植入、长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件之外,将来的士兵可以在军鞋中安装这种纳米发电机,通过行走就能为随身携带的微型设备供电,而不必在战场上背负沉甸甸的电池。

如果愿意,当然不仅仅是士兵,每个人的衣服上、鞋子里等,都可以放置这样的电源,为身上携带的便携电子设备(包括MP3、手机等)提供能量。届时唯一的问题,可能就是需要不断运动来给它充电。

当时这篇文章中的很多预测,现在都已经或者正在成为现实。这也是王中林这次成为诺奖热门的原因之一。当然我们也有幸,成为历史的创造过程的见证者,这也是我们从事这项工作最大的乐趣。

 

责任编辑:solar_robot
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