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不妨用木头来制造电池

日期:2012-7-5
用木头来制造电池,这听起来并非是天方夜谭。波兰波兹南工业大学的格则哥尔兹·米尔查勒克与瑞典林雪平大学的欧勒·英伽纳斯两位研究人员,在《科学》杂志上发表了一篇论文:他们提出可利用造纸厂废料制造电池的三大组成部分之一阴极。
研究人员之所以会有这种设想,从根本上讲是为了降低制造电池所需的材料成本,用来使可再生能源发电更稳定地向电网供电。众所周知,目前风力涡轮机和太阳能电池板的造价每年都处于持续下降的态势,所以妨碍风能和太阳能发电的主要问题并不是其生产成本,而在于它们无法持续发电。在大风天气和阳光充沛的时段,它们可以向电网提供清洁并可循环利用的电能,然而到了无风天气和太阳下山后,只有依靠可以储存多余电能的电池才能保证它们并网发电的稳定性。现在这样做的成本非常高。
要想改变这种尴尬的状况,只有制造出一种造价低廉的电池。而电池的原理其实很简单,电池可以定义为以化学形式储存能量,并能在需要时将化学能转化为电能的装置。与想象中不同,电池中储存的并不是电能,而是化学能。电池的两个电极中,一个允许电子逃逸,被称为阳极,另一个则接受电子,被称为阴极。电池放电,就是阳极放出电子,而阴极接受电子的过程,也就是阳极和阴极通过化学反应,将化学能转化为电能。人们通常会在电子回归之前利用它们做一些有用功。之后在给电池充电时也有很多方法,可以用来自太阳能电池的电流将电子沿相反途径送回,这也会把正离子带回原处,即完成充电过程。
据了解,任何一种电池都必须由三部分所组成:阳极、阴极和电解质。电解质通常会用简单而又相对丰富的化学物质制成。但是电极并非如此。它们通常要使用铅、锌、镍或锂这类金属制造,这些金属相对稀少,因此在制造可用于电网的电池时价格极为昂贵,无法普及。并且这些以金属制成电极的电池在大功率放电时容易发热甚至自燃,或者存在重金属污染的风险。因此,找到造价低廉的电极将是向制造出实用性强的电网用电池所迈出的重大一步,而米尔查勒克与英伽纳斯两位研究人员希望他们可以在制造阴极方面迈出这一步。
良好的阴极材料必须能够大量接受并储存以正离子或电子形式存在的电荷。研究人员发现,一些植物和微生物在光合作用过程中,利用醌类化合物运送带正电的质子和带负电的电子。醌类化合物是在苯环或萘环上用偶数个氧原子取代氢原子获得的产物,其中氧原子和碳原子形成的双化学键可以方便地与其他物质结合。在这一过程中形成的物质可能会具有很高的电荷密度。
米尔查勒克与英伽纳斯提出,在木头的木质素中含有大量的有机物质苯酚,在进行氧化后,这部分有机物极易转变成与它结构类似的另一种化学物质醌类。虽然这样得到的材料本身并不能作为电极,但与具有导电性和离子传递能力的物质结合起来,就可以得到可用的电极材料。
在实验中,研究人员将醌类和另一种叫做聚吡咯的化学物质相结合组成复合材料,制造出多层聚合物电极,可以为阴极提供所需要的电子与质子的受体。在这种电极中,木质素氧化物中的醌类负责储存电荷,聚吡咯负责运送电荷,其电荷密度可以达到每克70到90毫安时,相当或略优于目前使用的锂离子电池水平。
木质素在木头中的含量仅次于纤维素,可占到20%到28%,既不像金属那样需要担心资源枯竭的问题,也不是使用纯物质制造出来的。在造纸过程中所需要的是木头的另外一种主要成分纤维素,木质素几乎完全以被称为“黑液”或“棕液”的废水形式丢弃,而这些废水完全可以被用到木质电池的制造中,几乎不会产生原料成本,同时又解决了相当一部分造纸行业的污染问题。尽管聚吡咯的价格并不像木质素的提取那样便宜,但跟金属相比成本已经降低了很多。
通过实验结果可以表明,木质素和聚吡咯的聚合物的确是一种高效的阴极,可以储存大量的电荷。而通过选择不同的电解质,以及针对木质素的不同处理方法,有希望进一步优化这种阴极的性能。目前,木质电池的研发还只处于初级阶段,但如果可以找到造价同样便宜的物质来做阳极,那么木质电池的时代就将会到来。这同样也将是无间歇的可再生电源时代。(来源:人民网)
 
 

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