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纳米技术广泛应用于能源创新

发布时间:2019-10-12 22:43:18 编辑:笔名

能量小球:透射电子显微镜拍摄的氧化钛(浅色)和硫(深色)的纳米结构。

对水泥纳米性质的了解可以改进水泥制作工艺,减少二氧化碳排放。

纳米级发电机:用摩擦和静电来获得电能。

自从1990年纳米科学技术正式诞生以来,这项将微观领域操作到0.1~100nm的高新技术在材料学、动力学、生物医药学和电子学四大方面取得了众多的创新成果。如今,纳米技术的发展和广泛应用,也带动了许多能源领域的创新项目。

纳米结构让电池增寿

目前,许多高能效的锂离子电池都存在一个致命缺陷,即在多次充电后便会失效。这种缺陷严重限制了电池在电动汽车和插入式混合动力汽车上的应用效果。日前,斯坦福大学的研究人员利用设计出的新纳米结构,极大地增加了锂离子电池的可充电次数。

据了解,传统的锂硫电池平均可以充电150次。而利用新的纳米结构可以解决传统锂硫电池的两个缺陷。

当锂硫电池放电的时候,硫和锂会结合形成硫化锂;当充电的时候,又会再次形成独立的硫。但在这个反应过程中也会形成许多其他的多硫化合物。如果这些多硫化合物流出电极之外,反应就无法循环完成,也就限制了电池可以储存的电量。经过几次充电循环以后,这些多硫化合物会积累起来,进一步降低电池容量。

研究人员发现,多种纳米结构可以将多硫化合物限制在电极里。但这些设计在锂硫电池中会遇到第二个问题:硫的膨胀会破坏纳米结构,让多硫化合物逃逸出来。

研究人员首先造出球形硫纳米颗粒,并用氧化钛外壳包裹它们。氧化钛外壳的设计是为了固定住多硫化合物,不让它们离开电极。随后溶解部分的硫,在外壳内部留出空间。这些空间可以让硫在膨胀的时候不破坏氧化钛外壳。

利用这种设计方法可以让电池在500次循环后还有81%的容量,循环1000次以后还有67%的容量。斯坦福大学材料科学和工程学教授崔屹(音译)表示,在这种电池中的纳米材料制造方法简单,可以进行大规模生产制造。而且这种电池的商业版本也许可以把锂离子电池的容量再增加大约一倍。

尽管这样的设计对某些应用项目来说已经足够好了,但是理想的电动汽车电池需要在多至3000次充电循环以后还有80%的容量,也就是说在汽车的使用寿命里可以达到每天充一次电。为此研究人员还在继续寻找可增加充电次数和电池容量的方法。

在纳米水平上研究减排水泥

据悉,瑞士国家科学基金会日前正资助研究团队进行有关“绿色”水泥的研究。

目前,最常见的水泥是碳酸盐水泥,在其制造过程中需要燃烧碳酸钙,这会释放大量的二氧化碳。以印度为例,在2007年,印度全国二氧化碳排放量的5%就来自于国内的水泥生产企业。然而,水泥作为基础建筑材料还需要满足两项标准:极好的硬度和组成元素的易得性。

至今为止,所有试图取代或部分取代碳酸钙燃烧方法生产出来的水泥都在硬度上表现欠佳。苏黎世联邦理工学院建筑材料研究所教授埃伊曼纽拉提出了在纳米水平上对水泥的机理进行更好的理解,以确定物理和化学参数并改进水泥生产的碳排放而不降低其硬度。

早些时候,麻省理工学院的研究人员曾在实验中使用了一种可以在亚微米级别上施加机械压力的仪器,在亚微米水平上发现了水泥的密度变化,但却无法解释原因。埃伊曼纽拉在此基础上发现了一种组成成分十分无序的非晶态材料,并将研究集中在纳米水平上。她认为:“只有在纳米水平上,某些材料的性质才能被揭示出来。这也适用于水化硅酸钙,一种水泥的主要成分,在和水混合变硬的过程中起到重要的作用。”

据了解,研究人员首先设计了一个水化硅酸钙纳米颗粒的包装模型。随后用数值模拟方法来观察模型。实验证明,水泥在纳米水平上不同的密度分布可以用纳米颗粒大小的相异性来解释。在这样一个关键的水平上,纳米颗粒大小不同的材料比纳米颗粒相同的材料硬度更大。这一发现或许可以应用到硅酸盐水泥的生产中。

纳米发电机利用摩擦充电

佐治亚理工学院的研究人员日前开发出一种能利用手机在口袋中的晃动所产生的静电给手机充电的产品。

从理论上讲,人们行走和呼吸所产生的动能都可以给植入体内的医疗设备,或其他电子产品充电。佐治亚理工材料科学专业教授王中林(音译)领导的研究团队通过采用纳米技术来制造压电材料,并放大压电效应。

在干燥的天气使用塑料梳子梳头就很容易产生静电。研究人员发现,使用一片聚对苯二甲酸乙二醇酯材料和一片金属材料,这种静电充电现象,或称作“摩擦起电”效应,能产生足够的能量。当弯曲时,两片薄膜之间将产生电流,从而实现充电。而如果采用纳米技术来制造两种表面,那么有效面积将更大,从而提供更强的摩擦和更多的电能。

据了解,这种纳米发电机能将机械运动能量的10%至15%转换为电能,而更薄的材料转换率甚至可以达到40%。指甲盖大小的摩擦电纳米材料在弯曲时能产生8毫瓦电力,足以驱动心脏起搏器。而一块25平方厘米的材料能同时点亮600盏LED灯泡,或是为手机电池充电。

不过到目前为止,基于压电效应的纳米发电机还没有产生较大的电力输出。所以,目前还不清楚这样的纳米发电机是否能在实验室之外得到应用。不过,有约50种普通塑料、金属和其他材料在配对时都可以产生同样的发电效果。

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