新能源材料

吸能材料可同时以多种形式的能量“发电”

将阳光照进房间里的热量和自身运动产生的热量收集起来，或许可用于驱动生物传感器和智能手表等便携式装备和可穿戴设备。据最新一期《应用物理快报》杂志报道，芬兰奥卢大学的研究人员首次发现，在室温下，含有钙钛矿晶体结构的矿物质具有同时从多种能源中转化能量的特质，有望实现能源的可持续利用，推动物联网和智能城市的发展。

钙钛矿有一个大家族，其中许多矿物只能1次捕获1种或2种能量。有的擅长把太阳能转换成电能，而有的善于从运动产生的温度和压力变化中获得能量，它们分别被称为热释电和压电材料。然而在实际中，有时仅靠一种能量来源是不够的，因此，研究人员希望开发出可以同时利用多种形式能源的设备。奥卢大学的研究团队发现，有一种特定的钙钛矿类型（KBNNO）可以利用多种形式的能源。

新研究首次在室温条件下一次性评估了这种材料几乎所有的特性。KBNNO是一种铁电材料（热释电材料的一个分支），当经受温度变化之后，会产生电流；同时，当材料受压变形时，导致某些区域吸引或排斥电荷也可产生电流。研究发现，尽管这种材料在热和压力下发电性能相当好，但并不是最好的，不过，通过修改它的组成可以提高其热电和压电性能。研究人员希望，未来建立一个多能量采集装置原型机，一旦找到最好的契合材料，短短几年内即可商业化。也许有一天，这种多能量采集材料让你不再需要充电宝之类小设备，而其中的电池也会被淘汰了。（科技日报）

新材料让钠离子电池寿命可媲美锂电池

锂离子电池虽已用于人们生活的方方面面，但科学家一直认为，在大规模能量存储方面，钠离子电池比锂离子电池更安全，成本更低，但因寿命短，短期内无法应用。日前，中美科学家联合开发出一种新型结构的硫化锑基负极材料，使硫化锑基钠离子电池由以前的不超过500个循环提升到900个循环，寿命几乎可媲美锂电池，且比容量是锂离子电池负极材料（石墨）容量的1.5倍。相关成果发表在纳米领域顶尖杂志《ACS纳米》上。

论文第1作者，华南理工大学环境和能源学院副教授熊训辉表示，钠离子电池工作原理与锂离子电池类似，都是利用离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。但前者因钠资源丰富而成本更低，且因其电压平台高，安全性更高。不过，由于现有钠离子电极材料性能不理想，从20世纪80年代至今，寻找合适的电极材料一直是钠离子电池发展的关键。熊训辉和美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授刘美林等开发出一种简单的方法，即商业硫化锑与氧化石墨烯于硫化钠溶液后混合，再通过控制结晶和烧结制备改性石墨烯与纳米硫化锑的复合材料。该材料和钠片组装成半电池时，在快速充放电（充放电40min左右完成）900个循环后容量保持率仍高达83%。研究人员通过理论计算证明，改性后的石墨烯对硫化锑以及其放电产物具有更好的固定作用，能更有效稳定材料的结构以及防止活性物质从石墨烯上脱落。与已有报道相比，该复合材料具有钠离子电池锑基负极材料最好的循环性能，使钠离子电池实现应用迈近了一大步。（科技日报）

美研发出新型液流电池大幅降低生产费用

美国科研人员日前在《美国化学学会·能源通讯》杂志上报告说，他们研发出一种新型液流电池，可通过溶解在中性ph值水中的有机分子来存储电能。这项成果使无毒、无腐蚀性且使用寿命超长的电池成为可能，并有望大幅降低生产费用。液流电池的蓄电系统一般包含正负极2个储液罐，内装两种不同的电解液。这之间的连接部分是发电区，用一个隔膜隔开。两种电解液间隔着薄膜产生离子交换来实现电能的储存与释放。储液罐越大，存储的电能越多。液流电池可以为风能、太阳能等发电不连续且输出不稳定的可再生能源的存储提供解决办法，但现有的液流电池在多次充放电循环后存储能力会下降，需要定期维护电解液。

哈佛大学的研究人员通过分别调整正负极电解液的分子结构，使它们可溶于水，从而研发出一种每充放电1 000次只损失1%存储能力的电池，而锂离子电池一般在1 000次充放电后就不能使用了。中性pH值还能大幅降低将电池正负两极分开的隔膜的制造成本。因为目前大部分液流电池的隔膜采用昂贵的聚合物以耐受电池内腐蚀性物质，其费用占到整个电池设备成本的1/3。而这种新液流电池中的隔膜两侧实际上都只是盐水，因此它的材质可采用廉价的碳氢化合物，从而大大降低成本。

由于电解质能在中性pH值的水中溶解且无毒、无腐蚀性，人们可以用比较便宜的材料来制造储液罐和泵等电池部件。降低成本对电力存储至关重要。美国能源部日前设立了一项目标，旨在开发出能将每千瓦/小时电量的存储成本降低到100美金以下的电池。如果该目标达成，那么它存储的风能、太阳能等新能源将足以与传统电力媲美。因此也可以说储能技术是开启新能源时代的钥匙。美能源部电力办公室能源存储研究主管伊姆雷·久克认为，这项研究非常重要，它有望能为未来的电池指明方向，大幅提高电池寿命和降低成本，这种高效耐用的液流电池有望成为电网基础设施的一个标准构件。在哈佛大学技术开发办公室的协助下，研究人员目前正与几家公司合作，准备将这项技术转化到工业应用。哈佛大学已提交报告，对这项液流电池的改进技术申请专利。（新华网）

科学家发明新型超薄材料不耗能源能当空调

美国《科学》期刊2月9日发表的一项研究称，科学家发明了1种新型超薄材料，無需使用能源或传统空调设备，就能使因太阳照射而温度上升的物体表面冷却下来。来自美国科罗拉多大学的研究人员尹晓波（音）称，这种新型材料是一种玻璃聚合物，仅有50μm厚（1cm=10 000μm），也就是比铝箔略厚些，而且能以较低成本生产，因此易于市场推广。这种材料能够以红外辐射的形式把太阳的热能驱散，从而达到降温的效果。研究人员认为，该材料可以用来冷却建筑物、机器设备等，也可以延长太阳能面板的寿命。例如，在热电厂，为了使机器装置维持在操作温度，需要耗费大量的水和电，而把这种材料制成的薄层覆盖在机器上降温，便可以节省能源和资金。在实地试验中，这种材料显示出了不错的降温效果，而且可以日夜连续进行冷却。来自怀俄明州大学的谭刚（音）也参与了该项研究，他表示：“在一栋独户住房的屋顶上安装10～20m2的这种材料，这家人夏天‘避暑’的问题就解决了。”尽管现在这种材料还没有上市，不过研究人员认为，它质量较轻，易于安装在弧形表面，而且适于大规模生产。（中国日报）

二氧化碳巧变“能源”為电池充电

蓝天与灰天的对比说明燃烧化石能源对环境的不利影响，而两者之间二氧化碳（CO2）浓度的巨大差异提供了一种尚未开发的发电能源。近日，美国宾夕法尼亚州立大学的团队研制出一种装置，利用化石燃料发电厂排放的二氧化碳与环境空气中二氧化碳的浓度差发电，可给电池充电。相关研究发表在最新一期美国《环境科学和技术》杂志上。

该装置叫“流动单元”，工作原理是将二氧化碳排放物溶解于水性溶液中，利用其与环境空气中的二氧化碳之间的浓度差发电。其产生的平均功率密度为0.82W/m2，高于以前类似方法获得值的近200倍。研究人员克里斯托弗·戈尔斯基介绍，这项工作提供了一种更简单的方式——捕获二氧化碳这种排放物获取能量，而现有技术是在昂贵的催化剂和高温条件下，将二氧化碳转化为有用的燃料来获取能量。

为了利用这种浓度差的潜在能量，研究人员首先将二氧化碳气体和周围空气分别溶解于水性溶液容器中，这一过程被称为喷雾。在这个过程中，二氧化碳喷雾溶液形成碳酸氢根离子，从而具有较低的pH值。之后，研究人员在“流动单元”的两个通道分别注入这2种溶液，造成pH梯度，而2个通道安置相反的电极，通道间设有半多孔膜以防气体即时混合，同时允许离子通过。2种溶液之间的pH差让各种离子穿过膜，造成两电极之间的电压差，促使电子沿着连接电极的导线流动。当“流动单元”放电后，就可以打开通道让液体流动再次充电。研究人员称，该成果的进一步改善在未来可能大有前途。（科技日报）

宽波段柔性吸光材料问世

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员在近期的美国《国家科学院院刊》上发表论文称，他们利用纳米技术，开发出一种轻薄透明的柔性吸光材料，可将太阳能电池的效率提高3倍以上，并具有隐身性能。该材料可称是近乎完美的宽波段吸收材料，可吸收87%以上的近红外光（1 200～2 200nm波长），对其中1 550nm波长的光的吸收率达98%，且能够从各个角度吸收光。理论上，也可以只吸收特定波长的光而允许其他波长的光通过。新的吸光材料主要是基于表面等离子体共振的光学现象。研究人员采用了氧化锌半导体，其可通过与金属掺杂改性。掺杂了铝的氧化锌含有大量的自由电子，足以使等离子共振吸收红外线。他们用先进的纳米加工技术，以精确的方式对材料进行组合与构成。在硅衬底上，每次沉积一个原子层，以构建立式纳米管阵列。再将纳米管阵列从硅衬底转移到薄而有弹性的聚合物上，就可制造出这种新材料。实验证明，通过改变不同的参数，如管与管之间的间距、材料的比例、材料的类型以及电子载体浓度，便可调整材料的吸收波段。研究人员表示，该设计以纳米粒子为基础，具有一些令人振奋的特性，如可将其转移到到任何类型的基板上，用于大窗户的宽波段吸收等。纳米材料通常只在厘米尺度上进行制造，新研究在大面积制造上迈出了一大步。由于这种新的吸光材料是宽波段吸收材料，可选择性吸收光，也可对其吸收波段进行调节，因此可广泛应用于隐身技术，如为军事设备或人员提供各种伪装等。而新吸光材料的全波段全角度特性，也可用于大幅提高太阳能电池的效率。研究人员表示，该技术目前仍处于研发阶段，他们将探索使用不同材料，不同几何图形，开发不同波长的光吸收材料，以提供更为广泛的应用。（科技日报）

纸电极让微生物燃料电池更廉价高效

美国研究人员近日在《美国化学学会·能源通讯》杂志上报告说，他们开发出一种新技术，可用纸制造微生物燃料电池的电极，与过去的方法相比这能让微生物燃料电池更为廉价和高效。微生物燃料电池是一种利用微生物来产生电能的装置，一个重要应用场景是废水处理，微生物在去除水中污染物的同时，还能产生电能。但目前所用的微生物燃料电池的电极通常是由金属或碳毡制成，都有一些不足之处，如金属成本高且容易被腐蚀，由碳纤维制成的碳毡虽然便宜一些，但其中的孔隙容易被阻塞。美国罗切斯特大学的研究人员报告说，可以用纸和碳膏来取代碳毡。这种碳膏由石墨和矿物油混合制成，把碳膏涂在纸上后，再像做三明治那样压上导电聚合物层和细菌层，就制成了微生物燃料电池的一个电极。这种碳膏电极比碳毡电极成本更低。研究人员解释说，他们使用的微生物为“希瓦氏菌MR-1”，这种细菌能“吞噬”废水中的有毒重金属离子，并在这个过程中释放电子。碳膏可吸引这些电子，然后通过导线将其传给另一个电极，形成电流。测试显示，碳膏电极的效率比碳毡电极更高，前者的平均电流输出可达2.24A/m2，而后者只有0.94A/m2。科学界关于微生物燃料电池的讨论由来已久，但是如何廉价和高效地制造微生物燃料电池一直是个难题。研究人员表示，这种新技术方法简单、成本低且更高效，有利于推动微生物燃料电池在未来的发展和应用。（新华网）

新型固态电池可给微型卫星供能

据美国国家航空航天局（NASA）官网近日报道，NASA正与迈阿密大学合作，研制一种新型固态电池，其体型小巧，节省空间，可用在“立方体卫星（CubeSats）”等微型卫星上。研究人员表示，新电池有望彻底改变操控小型载荷的方式。这款电池的原型由NASA肯尼迪太空中心探索研究与技术理事会首席研究员卢克·罗伯森和迈阿密大学复合材料专家赖安 卡基伦联手研制；电池的化学性能和结构则由迈阿密大学力学和航空航天工程学副教授周襄阳（音译）负责研发。这种电池体型纤巧，厚度仅为2～3mm，非常适合包括CubeSats在内的微型卫星使用。罗伯森解释称，对于还没有一个烤面包片机大的CubeSat来说，空间至关重要，新电池所占空间仅为现有电池的1/3，因此可节省出大量空间，供研究人员进行更多科学研究。罗伯森表示，该电池也能应用于其他领域。他说：“这一技术能用于卫星的桁架结构以及国际空间站上，商业应用可能包括用于汽车车架或桌面电池充电器上。”此外，如果这类电池能够在建房的过程中，添加到房子或墙壁内，它们将成为一种补充或替代能源，满足住户在高峰期的用电需求。若使用合适的结构元件，新电池能够获得防撞、防潮、防燃等性能。该研究团队希望该技术能成为一种安全有效的储能方法，广泛应用于多个领域，也特别希望它能提升航天系统的性能并促进相关产业的发展。（科技日报）

靠胃酸驅动的微型电池研制成功

美国麻省理工学院和布莱根妇女医院的研究人员开发出一种依靠胃酸驱动的伏打电池，可产生足够电力供微型传感器或药物输送设备运行。他们在近日出版的《自然·生物医学工程》杂志上撰文称，这一新型电源更安全廉价，有望成为目前体内传感器或药物输送设备所用电池的替代品。医生们常用植入式医疗设备进行生命体征监测或递送药物，这些设备通常由微型电池驱动，但传统电池会自放电，存在安全风险。为解决这一问题，研究人员开发出靠胃酸驱动的新型电池。该电池设计灵感源于柠檬电池。柠檬电池只需将镀锌螺丝钉和铜片插入柠檬，即可利用柠檬酸中的氢离子产生电流。在新设计中，研究人员将锌和铜制电极放置在微型商用温度传感器表面，锌会释放离子到胃液中，利用胃酸驱动电路，产生足够的能源驱动传感器和一个900MW的发射机。研究人员在猪身上进行的试验显示，传感器平均要用6天才会通过猪的消化系统。在胃部时，电池可提供足够的能量驱动传感器，并每隔12s发射一次无线信号，将数据传送至2m外的基站；一旦设备进入小肠，电池提供的能量会大幅减少，但仍可在相当长的一段时间内驱动设备并传递信息，只不过传递频率会降低。目前，该设备原型是一个直径12mm、高40mm的圆柱体。研究人员认为，通过定制集成电路，将能量采集器、发射机和微型处理器集成，可使设备体积缩小2/3。一旦小型化成功，他们将开发其他类型的传感器和应用程序。研究人员还指出，对于植入式医疗设备来说，能源的管理、转换、存储和利用始终是挑战。新研究提供了新思路，使他们意识到可利用人体自身资源开发出完全自我维持的系统。将来人们或仅靠一个自供电的“药丸”就可进行持续数周的生命体征监测，相关数据会传送到自己的手机上。此外，新设备还可用于递送药物。研究人员靠此设备成功释放了封装在金薄膜中的药物。（科技日报）

科学家用硅尘废料制作出了高性能锂离子电池阳极

在电子行业，当从一块大晶圆上切下一小颗硅片的时候，往往会产生大量的碎屑。通常这些材料会被丢弃，但得益于日本东北大学和大阪大学当前正在进行的一项研究，这些硅碎屑将有望很快在高性能锂离子电池领域得到运用。科学家们从普通硅尘开始，洗去杂质（比如通过切割过程中会用到冷却剂），将其制成约15nm厚的粉末再裹上碳，最终做成电池的阳极。测试表明，采用这种阳极材料的锂离子半干电池，其单位容量可以达到1 200mAh/g，循环周期也超过800次。

对于行外人来说，这个数字可能并不起眼。但实际上，其成绩已是传统石墨阳极的3.3倍。研究人员指出，如果量产，回收工艺的规模扩张会更加简单，阳极的成本也会变得相当低廉。他们预计，行业每年产生的硅尘，足够全球对于阳极材料的需求。有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《科学报告》（Scientific Reports）期刊上。（科学网）

新型高效多晶硅太阳能电池 转换率可达21.9%

德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所日前宣布，他们研发出一种高性能多晶硅太阳能电池，光电转换率可达21.9%。光电转换率是指通过光电技术将太阳能转化为电能的效率，是评测太阳能电池性能的一项重要指标。

研究人员介绍，目前光伏产业普遍使用由P型多晶硅材料制成的太阳能电池，平均光电转换率在19%左右，而他们开发的新型太阳能电池使用N型高性能多晶硅材料，与P型多晶硅材料相比，对铁等杂质的容忍度更高。这种新型光伏电池具有良好的抗反射性，看上去几乎呈黑色。研究项目负责人扬·贝尼克说，他们将继续开展研究，进一步挖掘N型多晶硅材料的潜力，缩小多晶硅电池与单晶硅电池在光电转换率方面的差距。多晶硅电池与单晶硅电池均是常见的太阳能电池。与单晶硅电池相比，多晶硅电池光电转换率相对较低，但成本也更低，因此得到广泛应用。（新华网）

长春应化所折纸生物燃料电池研究获进展

生物燃料电池是一种酶替代贵金属催化剂的能量装置。与传统燃料电池相比，生物燃料电池除具有高效清洁、环境友好的优点，也具有来源广、操作条件温和、生物相容性好等独特优势。但是，生物燃料电池的小型化问题及其相对复杂的组装过程仍然是提高其实用性的一大难题。中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室董绍俊课题组多年来致力于生物燃料电池的微型化与便携性研究。他们近期发展出一种新方法，通过将折纸技术与微型化的生物燃料电池结合起来，将软饮料中的葡萄糖催化转化从而直接获取能量。这种折纸生物燃料电池可以直接用可口可乐和营养快线等商业化含糖软饮料作为燃料，具有廉价、易得的优点，有良好的应用前景。（中国科学报）

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