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英媒:伊朗让纸变成“超级电容器” 可快速充电放电

2018-12-14 10:36 来源:参考消息网 参与互动 
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  英媒:伊朗让纸变成“超级电容器” 可快速充电放电

  参考消息网11月22日报道英媒称,根据一项新的研究结果,伊朗伊斯兰自由大学等离子体物理学研究中心的研究人员发现,可以让纸张成为储存电能的超级电容器。这种仅一层纸厚的新型超级电容器可以弯曲、折叠,同时依然能够保存电能。

  据英国科学新闻网站11月20日报道,“超级电容器”一词专指单位容积储存的能量是传统电容器10倍的设备,而且这种设备可以快速充电和放电。纸型超级电容器要比其他类型更轻、更便宜,由莱拉·阿瓦尔带领的团队研发出的这种超级电容器比之前的纸型超级电容器更容易弯曲,这赋予了它们全新的潜在用途。阿瓦尔解释说:“在不远的将来,这类超级电容器在工业和家庭的应用将会增多,成本也会降低,成为可供大众使用的设备。”

  目前,如果需要储存规模庞大的能量,通常需要使用沉重的大型可充电电池。超级电容器也可以做到这一点,不过上升了一个档次:它们比普通电池的充电和放电速度更快——只需几分钟而不是几小时——而且在使用寿命期间可以有更多次的充电和放电。

  碳具有高效储存能量的理想特性,在目前的电容器和超级电容器中表现为碳纳米管的形式。自上世纪50年代以来,研究人员一直在利用碳的高强度以及出色的导热和导电性;碳还具有弹性大和易弯曲的特点,这样它就能轻松地弯折和伸展。

  

  研究小组分析了商用超级电容器的结构,并用一张有多个层级的碳纳米管纸制成了超级电容器。他们使用钛酸钡将这些层级分离,它比任何备选化合物都更节约成本。新的纸型超导体即使被卷起来或者折叠,也能高效储存能量。

  报道称,这些新设备的潜在用途很广:医疗移植、皮肤贴片、可穿戴技术以及针对家庭和商业运输及智能包装的新型大规模储能设备。想象一下,能够卷起来并装进衣服口袋的平板电脑,或者是作为上衣一部分的手机,或者使用与衣服融为一体的电池给手机充电。

  阿瓦尔预计,这些超级电容器的商业和家庭应用很快就会增多,成本也将降低,因此这种技术将走向大众市场。阿瓦尔说:“能源是我们未来面临的最重大挑战。因此,制造一种能够储能、能量密度高且成本低廉的装置是非常重要的。正是这一点激励我们开展纸型超级电容器的研究。”

  

  法媒:研究称水蒸发可产生电能

  参考消息网9月29日报道法媒称,研究人员今天说,水蒸发——让洗好的衣服变干并为云提供雨水的过程——或许有一天能产生大量清洁能源。

  据法新社9月26日报道,他们在英国《自然·通讯》杂志上写道,利用这种自然过程可以通过美国现有的湖泊和水库产生325千兆瓦电力,这大约相当于2015年美国发电量的70%。

  只存在一个问题:获得这些电力的技术尚不存在。

  研究论文作者之一、哥伦比亚大学的厄兹居尔·沙欣说:“为了获取这一能源,需要在空气与水的临界面上放置一个设备。来自水体的水分首先会进入这个设备,然后才到达大气层,必须开发有关技术。”

  在研究中,沙欣和一个团队使用了水蒸发的产能潜力模型,在蒸发过程中,液态水转变成水汽。他们考察了湿度、风速和温度对蒸发率的影响。于是,他们猜想用一些装置来捕捉产出的能量。然后,科学家们计算得出,除了五大湖,美国水体的蒸发潜力超过10万平方米。

  报道称,能源收获设备可以建立在孢子的自然行动上,孢子是细菌应对严酷环境而形成的微小结构,孢子可以经受干旱或严寒,以在环境改善时产生新的细菌。

  沙欣说:“当周围空气的相对湿度改变时,孢子的保护性外层可以吸收或释放水。湿度大时,它们吸收水并扩张,湿度低时,它们释放水并收缩。在这个过程中,它们像肌肉那样活动。”

  理论上,孢子可以被整合成材料,当湿度水平改变——比如在蒸发期间,这些材料就会产生能量。

  沙欣说:“我们已经用孢子制作了一些概念验证装置,这些装置在被放置于水上时会产生电能,这些设备包含表面涂有孢子的塑料条,随着湿度改变,这些塑料条会变长或缩短。”

  他说:“我们将这些塑料条的活动末端连接一个发电机。该发电机会产生电力。”

  该团队说,水坝或湖泊本身可以用来储存太阳的热量,而太阳的热量会推动蒸发,这样电力可以仅在需要时产生。

  该团队说,水是一种绝妙的热储存库,或许它能解决“间歇性”能源的问题——涡轮或太阳能电池板只在有风或有太阳的时候才产生电力。

  他们还说,分配由蒸发产生的电能需要靠近电网,用于产生水电的水库都需靠近电网。

  研究人员说,这些发现要求对技术进一步研究,以从蒸发过程获取电能。

  

  

  沙欣的团队用孢子制作了一些概念验证装置,这些装置在被放置于水上时会产生电能。(美国雅虎新闻网站)

  

  美媒:“空气芯片”开启纳米电子新范式

  参考消息网11月21日报道美媒称,电子工程师开发出一种能通过细微空气间隙——而不是硅——来传送电子的新型晶体管。这一发展否定了半导体的必要性,提高了该装置的速度,且降低了过热的可能性。

  据合众国际社网站11月19日报道,研究人员利用这项突破为一种纳米芯片开发出概念验证设计,这种芯片的特点是金属与狭小空气间隙相结合,这个工程师团队在《纳米通讯》月刊上详细介绍了他们的发明。

  皇家墨尔本理工大学的研究人员什鲁蒂·尼兰塔在一份新闻稿中称:“每台计算机和手机都有数百万至数十亿由硅制成的电子晶体管,但这项技术正在达到其物理极限,导致硅原子阻碍电流、限制速度并产生热量。我们的空气通道晶体管技术让电流在空气中流动,因此不会发生碰撞使其减速,材料中也没有产生热量的阻力。”

  报道称,在过去十多年中,随着工程师们设法将越来越多的晶体管挤进硅芯片,计算机芯片的功率和效率大约每两年翻一番。但现在的晶体管比最微小的病毒都小,而且技术专家说,晶体管能小到什么程度是有限的。换句话说,硅基电子产品面临着一个天花板,而工程师们已经在接近这一极限。但基于空气的纳米芯片能够为研究人员提供通往纳米电子新范式的途径。

  尼兰塔说:“这项技术在晶体管小型化方面走了另一条路,为的是让摩尔定律在今后几十年里依然有效。”

  根据这项新研究,其概念验证设计避免了传统固体通道晶体管的一个问题:原子太多。研究人员没有使用真空包装来降低晶体管密度,而是利用一个狭窄的空气间隙。

  研究人员沙拉特·斯里拉姆说:“这个间隙只有几十纳米,是人类毛发宽度的5万分之一,但它足以让电子误以为自己是在真空中行进,为在纳米级空气间隙内的电子重新创造一个虚拟外部空间。”

  研究人员认为,他们的装置将很容易与现有电子技术兼容。

  斯里拉姆说:“这是朝着一项激动人心的技术迈出的一步,这项技术旨在‘无中生有’、大幅提高电子产品的速度并保持快速技术进步的节奏。”

  

  美媒:研究发现钠钾电池有望替代锂电池

  参考消息网6月21日报道美媒称,佐治亚理工学院的研究人员发现了表明以钠和钾为基础的电池有望成为锂电池之潜在替代品的新证据。

  据美国每日科学网站6月19日报道,从单次充电就能行驶数百英里的电动车,到与汽油锯一样威力巨大的链锯,每年都有利用电池技术最新进步的新产品进入市场。

  但这种增长势头导致人们担心,世界上的锂供应可能最终会耗尽。锂这种金属是许多新型充电电池的核心材料。

  报道称,现在,佐治亚理工学院的研究人员发现了表明以钠和钾为基础的电池有望成为锂电池之潜在替代品的新证据。

  乔治·W·伍德拉夫机械工程学院以及材料科学和工程学院的助理教授马修·麦克道尔说:“钠离子和钾离子电池的最大障碍之一是,与其他电池相比,它们的衰减和老化速度往往较快,而储存的能量较少。但我们发现,情况并非始终如此。”

  报道称,研究团队研究了三种不同的离子——锂、钠和钾——是如何与硫化铁颗粒发生反应的。这项研究得到美国国家科学基金会和能源部资助,相关论文于6月19日发表在《焦耳》杂志上。

  在电池充电和放电时,离子会不断与构成电池电极的颗粒发生反应,并穿透这些颗粒。这一反应过程会导致电极颗粒发生大量变化,通常会将它们粉碎成细微颗粒。由于钠离子和钾离子大于锂离子,所以传统上人们认为,它们在与颗粒发生反应时会导致更严重的老化。

  报道称,在实验中,他们在电子显微镜下直接观察电池内发生的反应,其中硫化铁颗粒发挥电池电极的作用。研究人员发现,与钠离子和钾离子发生反应的硫化铁比与锂离子发生反应的硫化铁更为稳定,表明以钠或钾为基础的电池寿命可能比预期的要长得多。

  与不同离子发生反应的方式之间的差异显而易见。在与锂接触时,硫化铁在电子显微镜下看上去几乎要爆炸一样。与之相反,在与钠和钾接触时,硫化铁像气球一样慢慢膨胀。

  佐治亚理工学院的研究生马修·伯宾格说:“我们看到了一种非常稳定、没有发生断裂的反应。这表明,这种材料和其他类似材料能被用于制造经久耐用、具有更大稳定性的新型电池。”

  

  美媒:研究称新太阳能电池可免手机充电烦恼

  参考消息网4月26日报道美媒称,想象一下吧,再也不必为手机、电子阅读器、平板电脑充电啦!

  据美国《科学》周刊网站4月23日报道,研究人员报告说,他们发明了一种效率极高的太阳能电池,可以利用室内和阴天户外的散射光发电。利用这种太阳能电池有一天也许可以研制出能够不断充电的装置,无需再插上插头充电了。

  报道称,散射光太阳能电池并不是什么新鲜事,但最好的散射光太阳能电池需要使用昂贵的半导体。1991年瑞士洛桑联邦理工大学的化学家迈克尔·格雷策尔发明了所谓的染料敏化太阳能电池,这种电池在弱光下效果最好,而且比标准的半导体电池便宜。但在强烈的太阳光下,质量最好的染料敏化太阳能电池只能将14%的太阳能转化成电能,相比之下,标准太阳能电池可以将24%的太阳能转化成电能。之所以会发生这种情况,是因为能量来得太快,超出了染料敏化太阳能电池的处理能力。但当能量以较慢的速度抵达时,比如室内的散射光,格雷策尔的染料敏化太阳能电池则可以将28%的光能转化成电能。

  报道称,染料敏化太阳能电池的工作原理也稍异于标准的硅太阳能电池。在标准的硅太阳能电池中,电池吸收的太阳光会将硅原子中的电子踢至较高的能量水平,使它们能够跨越邻近原子,移动到带正电荷的电极。然后它们在那里被收集起来并被分流到电路中。奇特的是,电子离开原子后留下的空位也是可以移动的。经过一段时间后,这些空位会移动到带负电荷的电极,在那里它们被来自外部电路的电子填充。这一过程使得太阳能电池中的硅原子电荷得到重新平衡,从而可以连续产生电力。

  但染料敏化太阳能电池有所不同。这种电池也有两个电极,分别收集负电荷和正电荷,但在这种电池的中间部位,除了硅之外,还有一种不同的电子导体,通常为一些二氧化钛颗粒。不过,二氧化钛吸收光的能力较弱。因此,研究人员在这些二氧化钛颗粒的表面涂上具有出色的光吸收能力的有机染料分子。被吸收的光子将这些染料分子上的电子和空位激活,就像在硅中一样。染料会立即将被激活的电子移交给二氧化钛颗粒,然后这些电子被传送到正电极。与此同时,空位则被转入传导电荷的电解液中渗透到负电极。

  染料敏化太阳能电池的问题是空位在电解液中移动的速度不够快,导致空位在染料和二氧化钛颗粒附近堆积。如果一个被激活的电子碰上一个空位,它们便会结合,释放出热能而不是电能。

  报道称,为了解决这个问题,研究人员努力稀释电解液,使空位能够迅速抵达目标。但只要被稀释的电解液稍许有一点不完美,就会导致短路,使整个太阳能电池报废。

  现在,格雷策尔和他的同事们找到了一种可能的解决方案。他们设计了一种染料与能够传导空位的分子的结合物,并使它们紧紧地覆盖在二氧化钛颗粒上,创造出了不存在任何缺陷的完美涂层。这意味着移动缓慢的空位只需要运行较短的距离就可以抵达负极。与此同时,他们还报告说,这一紧密的涂层还将染料敏化太阳能电池对散射光的利用效率提高到了32%,接近最大理论值。

  美国西北大学的化学家迈克尔·瓦西莱夫斯基说:“这是一个真正了不起的进步。”虽然目前这一新装置还只能将13.1%的直射太阳光转化成电能,但瓦西莱夫斯基指出,由于对散射光的利用效率提高了近20%,因此有希望找到新办法提高该装置在太阳直射情况下的效率。

  报道称,由于染料敏化太阳能电池的造价远远低于硅太阳能电池,如果能够以较低的成本实现接近硅太阳能电池的效率,那就是一个成功。在这一天到来之前,染料敏化太阳能电池至少可以帮助我们在无需电线、插头和外部电源的情况下为一大堆装置充电。

  

  日研发电极可贴皮肤测肌肉活动 激烈运动也不会脱落

  参考消息网1月9日报道日媒称,日本开发出可测肌肉活动的皮肤电极。

  据《日本经济新闻》1月8日报道,日本早稻田大学讲师藤枝俊宣与教授武冈真司等人用导电性高分子材料开发出可贴在皮肤上的薄片状电极,可测量肌肉的电信号。即使手腕关节进行激烈运动,电极也不会脱落。如果用于对运动员的肌肉活动状况进行解析,则有利于提高竞技水平。该电极还有望应用于进行健康管理的可穿戴终端。

  日本研究小组与意大利技术研究机构用导电性高分子联合制作出厚度为数十至数百纳米的薄片。薄片极薄,即使不使用黏合剂也可以贴在皮肤上。人们一直以来使用的医疗用电极是凝胶体,在足球等激烈运动中容易脱落。

  报道称,研究小组对手臂肌肉电信号进行测量发现,新电极具有与凝胶电极同样的功能。新电极贴在手腕皮肤上,即使手腕进行弯曲伸直的动作,电极的功能也没有下降。

【编辑:姜贞宇】
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