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不妨用木頭來制造電池

日期:2012-7-5
用木頭來制造電池,這聽起來并非是天方夜譚。波蘭波茲南工業大學的格則哥爾茲·米爾查勒克與瑞典林雪平大學的歐勒·英伽納斯兩位研究人員,在《科學》雜志上發表了一篇論文:他們提出可利用造紙廠廢料制造電池的三大組成部分之一陰極。
研究人員之所以會有這種設想,從根本上講是為了降低制造電池所需的材料成本,用來使可再生能源發電更穩定地向電網供電。眾所周知,目前風力渦輪機和太陽能電池板的造價每年都處于持續下降的態勢,所以妨礙風能和太陽能發電的主要問題并不是其生產成本,而在于它們無法持續發電。在大風天氣和陽光充沛的時段,它們可以向電網提供清潔并可循環利用的電能,然而到了無風天氣和太陽下山后,只有依靠可以儲存多余電能的電池才能保證它們并網發電的穩定性?,F在這樣做的成本非常高。
要想改變這種尷尬的狀況,只有制造出一種造價低廉的電池。而電池的原理其實很簡單,電池可以定義為以化學形式儲存能量,并能在需要時將化學能轉化為電能的裝置。與想象中不同,電池中儲存的并不是電能,而是化學能。電池的兩個電極中,一個允許電子逃逸,被稱為陽極,另一個則接受電子,被稱為陰極。電池放電,就是陽極放出電子,而陰極接受電子的過程,也就是陽極和陰極通過化學反應,將化學能轉化為電能。人們通常會在電子回歸之前利用它們做一些有用功。之后在給電池充電時也有很多方法,可以用來自太陽能電池的電流將電子沿相反途徑送回,這也會把正離子帶回原處,即完成充電過程。
據了解,任何一種電池都必須由三部分所組成:陽極、陰極和電解質。電解質通常會用簡單而又相對豐富的化學物質制成。但是電極并非如此。它們通常要使用鉛、鋅、鎳或鋰這類金屬制造,這些金屬相對稀少,因此在制造可用于電網的電池時價格極為昂貴,無法普及。并且這些以金屬制成電極的電池在大功率放電時容易發熱甚至自燃,或者存在重金屬污染的風險。因此,找到造價低廉的電極將是向制造出實用性強的電網用電池所邁出的重大一步,而米爾查勒克與英伽納斯兩位研究人員希望他們可以在制造陰極方面邁出這一步。
良好的陰極材料必須能夠大量接受并儲存以正離子或電子形式存在的電荷。研究人員發現,一些植物和微生物在光合作用過程中,利用醌類化合物運送帶正電的質子和帶負電的電子。醌類化合物是在苯環或萘環上用偶數個氧原子取代氫原子獲得的產物,其中氧原子和碳原子形成的雙化學鍵可以方便地與其他物質結合。在這一過程中形成的物質可能會具有很高的電荷密度。
米爾查勒克與英伽納斯提出,在木頭的木質素中含有大量的有機物質苯酚,在進行氧化后,這部分有機物極易轉變成與它結構類似的另一種化學物質醌類。雖然這樣得到的材料本身并不能作為電極,但與具有導電性和離子傳遞能力的物質結合起來,就可以得到可用的電極材料。
在實驗中,研究人員將醌類和另一種叫做聚吡咯的化學物質相結合組成復合材料,制造出多層聚合物電極,可以為陰極提供所需要的電子與質子的受體。在這種電極中,木質素氧化物中的醌類負責儲存電荷,聚吡咯負責運送電荷,其電荷密度可以達到每克70到90毫安時,相當或略優于目前使用的鋰離子電池水平。
木質素在木頭中的含量僅次于纖維素,可占到20%到28%,既不像金屬那樣需要擔心資源枯竭的問題,也不是使用純物質制造出來的。在造紙過程中所需要的是木頭的另外一種主要成分纖維素,木質素幾乎完全以被稱為“黑液”或“棕液”的廢水形式丟棄,而這些廢水完全可以被用到木質電池的制造中,幾乎不會產生原料成本,同時又解決了相當一部分造紙行業的污染問題。盡管聚吡咯的價格并不像木質素的提取那樣便宜,但跟金屬相比成本已經降低了很多。
通過實驗結果可以表明,木質素和聚吡咯的聚合物的確是一種高效的陰極,可以儲存大量的電荷。而通過選擇不同的電解質,以及針對木質素的不同處理方法,有希望進一步優化這種陰極的性能。目前,木質電池的研發還只處于初級階段,但如果可以找到造價同樣便宜的物質來做陽極,那么木質電池的時代就將會到來。這同樣也將是無間歇的可再生電源時代。(來源:人民網)
 
 

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