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十年后我们才能用上自充电电池?

时间:2017-06-07 作者:Gary Hilson 阅读:
对于提高智能手机电源效率的要求与责任,经常会落到内存或闪存储存等其他组件上。不过,根据加拿大研究人员的最新研究成果显示,自充电(self-charging)电池预计将在未来十年内出现。
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加拿大蒙特利尔的麦基尔大学(McGill University)与国营的魁北克电力公司(Hydro-Quebec)旗下研究机构IREQ合作,可望让使用者再也不必面对忘记充电后无法使用手机的沮丧经验了。麦基尔大学采矿与材料工程系教授George Demopoulos表示,锂离子电池虽然让各种移动设备得以普及,但由于能源密度有限,仍然需要频繁的充电。y9LEETC-电子工程专辑

这种限制引发研究人员对于开发可携式太阳能充电器的兴趣。但Demopoulos指出,由于复杂的电路和封装问题,难以让这些混合设备小型化。因此,麦吉尔大学的研究人员们致力于开发能够利用光进行能量采集与储存的单一设备,从而达到了自充电电池的第一个里程碑。
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图1:FTO/LFP NP/DYE电极的示意图y9LEETC-电子工程专辑

Demopoulos自2010年以来一直与Hydro Quebec合作,进行锂电池和太阳能电池的制造。2014年,他向麦吉尔大学申请休假研究,在IREQ与博士后研究人员Andrea Paolella一起试验了利用光采集制造自充电电池的想法,如同染料敏化(dye-sensitized)太阳能电池一样。Demopoulos自2007年起一直在从事与染料敏化太阳能电池相关的研发,因而开始了与电池的不解之缘。y9LEETC-电子工程专辑

在早期阶段,这方面的研究集中于单个光电极——用灯泡照射半个电池作为示范,看电池是否能够吸收光能并储存电能。但Demopoulos说,研究人员们想知道的是“我们面前的这两种(灯泡、电池)设备,可以合二为一吗?经过几周的光电极照射后,我们开始看到电流的流动,”Demopoulos对于Paolella的耐心赞不绝口,因为一开始的两个星期内什么都没有发生。y9LEETC-电子工程专辑

研究团队在获得加拿大自然科学暨工程研究委员会(NSERC)的资助后,目前正展开该计划第二阶段的工作。在2017年4月号的《自然通讯》(Nature Communications)期刊中,研究人员详细描述了染料敏化太阳能电池技术如何与锂离子材料相结合以探究光辅助电池的充电的过程。y9LEETC-电子工程专辑

基本上,磷酸铁锂能有效地作为可逆的氧化还原剂,用于染料的再生,研究人员的研究结果描述了促进光充电(photo-rechargeable)锂离子电池设计原理的可能性。y9LEETC-电子工程专辑

该实验的第一阶段没有实际的设备,并且在无湿度的干燥室中进行。此外,各种实体组件从未被封装在单一容器中。“不仅仅是光线,实验中的氧气也起着关键作用。”Demopoulos说:“电池中不能存在氧气。所以,下一阶段是要设法取代氧气,然后再进一步加以封装。”y9LEETC-电子工程专辑

他说,这项研究计划预计要花大约五至十年的时间。“我们将会需要重新设计可吸收光的移动设备。”例如,屏幕可以吸收光。
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图2:霓虹光照射(红线)的开路电压(OCV):在经过平缓的3.40V后,电压升至3.75V;在使用黑盒子的黑暗环境(蓝线),电压如预期般,在500小时内从3.44V略降至3.41V。插图显示使用太阳能仿真器(绿线)照射下OCV的变化y9LEETC-电子工程专辑

IREQ能源储存和管理总监Karim Zaghib表示,已经设计出能吸收光的电极,NSERC的经费赞助将给予他们缩小差距的机会,并证明光充电电池的可能性。该机构从事锂电池相关业务已有五十年的历史了;Zaghib个人也在那里工作了22年。目前,提出新的充电方法是Zaghib和其它研究人员致力于解决的关键挑战。他说:“大家都想要快速充电,我们必须找到另一个来源。”y9LEETC-电子工程专辑

他说,拥有一款同时能够采集能量并加以储存的设备,一直是个反复被讨论的主题。电池的尺寸已不再是问题,因为研究人员使用的是离子磷酸盐电池,而不是锂电池。“问题不在于能量密度,我们已有解决办法了。”Zaghib说:“现在的问题是如何快速充电。”而另一个挑战则是让电池拥有足够的充电次数,目标是在未来五年内达到500次充放电周期。y9LEETC-电子工程专辑

预计在未来十年,越来越多的智能家庭将会采用太阳能供电,自充电电池也可望在家中派上用场,白天由阳光充电并在夜间使用。虽然目前的研究还围绕在小尺寸的电池,但Zaghib看好为能量储存等应用开发出10-20千瓦时(kwh)更大尺寸电池的潜力。他说:“如今,如果你想要在自家发电,必须在屋顶上安装太阳能板,并且把电池放置于家中地下室或车库。”y9LEETC-电子工程专辑

而自充电电池的概念意味着家庭中的太阳能发电系统只需放在屋顶上,Zaghib说,这个概念甚至还可以导入车子,不过还需要更多的考虑,因为车用电池通常放在底盘。总之,“我们正思考一些新的设计,”Zaghib说。y9LEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载y9LEETC-电子工程专辑

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Gary Hilson
EE Times特约编辑。Gary Hilson是一位自由撰稿人和编辑,曾为北美地区的印刷和电子出版物撰写过大量稿件。 他感兴趣的领域包括软件、企业级和网络技术、基础研究和教育市场,以及可持续交通系统和社会新闻。 他的文章发表于Network Computing,InformationWeek,Computing Canada,Computer Dealer News,Toronto Business Times,Strategy Magazine和Ottawa Citizen。
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