十年后 手機或可以自己進(jìn)行充電？

　　對于提高智能手機電源效率的要求與責任，經(jīng)常會(huì )落到內存或閃存儲存等其他組件上。不過(guò)，根據加拿大研究人員的最新研究成果顯示，自充電(self-charging)電池預計將在未來(lái)十年內出現。

　　加拿大蒙特利爾的麥基爾大學(xué)(McGill University)與國營(yíng)的魁北克電力公司(Hydro-Quebec)旗下研究機構IREQ合作，可望讓使用者再也不必面對忘記充電后無(wú)法使用手機的沮喪經(jīng)驗了。麥基爾大學(xué)采礦與材料工程系教授George Demopoulos表示，鋰離子電池雖然讓各種移動(dòng)設備得以普及，但由于能源密度有限，仍然需要頻繁的充電。

　　這種限制引發(fā)研究人員對于開(kāi)發(fā)可攜式太陽(yáng)能充電器的興趣。但Demopoulos指出，由于復雜的電路和封裝問(wèn)題，難以讓這些混合設備小型化。因此，麥吉爾大學(xué)的研究人員們致力于開(kāi)發(fā)能夠利用光進(jìn)行能量采集與儲存的單一設備，從而達到了自充電電池的第一個(gè)里程碑。

　　圖1：FTO/LFP NP/DYE電極的示意圖

　　Demopoulos自2010年以來(lái)一直與Hydro Quebec合作，進(jìn)行鋰電池和太陽(yáng)能電池的制造。2014年，他向麥吉爾大學(xué)申請休假研究，在IREQ與博士后研究人員Andrea Paolella一起試驗了利用光采集制造自充電電池的想法，如同染料敏化(dye-sensitized)太陽(yáng)能電池一樣。Demopoulos自2007年起一直在從事與染料敏化太陽(yáng)能電池相關(guān)的研發(fā)，因而開(kāi)始了與電池的不解之緣。

　　在早期階段，這方面的研究集中于單個(gè)光電極——用燈泡照射半個(gè)電池作為示范，看電池是否能夠吸收光能并儲存電能。但Demopoulos說(shuō)，研究人員們想知道的是“我們面前的這兩種(燈泡、電池)設備，可以合二為一嗎?經(jīng)過(guò)幾周的光電極照射后，我們開(kāi)始看到電流的流動(dòng)，”Demopoulos對于Paolella的耐心贊不絕口，因為一開(kāi)始的兩個(gè)星期內什么都沒(méi)有發(fā)生。

　　研究團隊在獲得加拿大自然科學(xué)暨工程研究委員會(huì )(NSERC)的資助后，目前正展開(kāi)該計劃第二階段的工作。在2017年4月號的《自然通訊》(Nature Communications)期刊中，研究人員詳細描述了染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)如何與鋰離子材料相結合以探究光輔助電池的充電的過(guò)程。

　　基本上，磷酸鐵鋰能有效地作為可逆的氧化還原劑，用于染料的再生，研究人員的研究結果描述了促進(jìn)光充電(photo-rechargeable)鋰離子電池設計原理的可能性。

　　該實(shí)驗的第一階段沒(méi)有實(shí)際的設備，并且在無(wú)濕度的干燥室中進(jìn)行。此外，各種實(shí)體組件從未被封裝在單一容器中?！安粌H僅是光線(xiàn)，實(shí)驗中的氧氣也起著(zhù)關(guān)鍵作用?！盌emopoulos說(shuō)：“電池中不能存在氧氣。所以，下一階段是要設法取代氧氣，然后再進(jìn)一步加以封裝?！?/p>

　　他說(shuō)，這項研究計劃預計要花大約五至十年的時(shí)間?！拔覀儗?huì )需要重新設計可吸收光的移動(dòng)設備?！崩?，屏幕可以吸收光?！?nbsp; 

　　圖2：霓虹光照射(紅線(xiàn))的開(kāi)路電壓(OCV)：在經(jīng)過(guò)平緩的3.40V后，電壓升至3.75V;在使用黑盒子的黑暗環(huán)境(藍線(xiàn))，電壓如預期般，在500小時(shí)內從3.44V略降至3.41V。插圖顯示使用太陽(yáng)能仿真器(綠線(xiàn))照射下OCV的變化

　　IREQ能源儲存和管理總監Karim Zaghib表示，已經(jīng)設計出能吸收光的電極，NSERC的經(jīng)費贊助將給予他們縮小差距的機會(huì )，并證明光充電電池的可能性。該機構從事鋰電池相關(guān)業(yè)務(wù)已有五十年的歷史了;Zaghib個(gè)人也在那里工作了22年。目前，提出新的充電方法是Zaghib和其它研究人員致力于解決的關(guān)鍵挑戰。他說(shuō)：“大家都想要快速充電，我們必須找到另一個(gè)來(lái)源?！?/p>

　　他說(shuō)，擁有一款同時(shí)能夠采集能量并加以?xún)Υ娴脑O備，一直是個(gè)反復被討論的主題。電池的尺寸已不再是問(wèn)題，因為研究人員使用的是離子磷酸鹽電池，而不是鋰電池?！皢?wèn)題不在于能量密度，我們已有解決辦法了?！盳aghib說(shuō)：“現在的問(wèn)題是如何快速充電?！倍硪粋€(gè)挑戰則是讓電池擁有足夠的充電次數，目標是在未來(lái)五年內達到500次充放電周期。

　　預計在未來(lái)十年，越來(lái)越多的智能家庭將會(huì )采用太陽(yáng)能供電，自充電電池也可望在家中派上用場(chǎng)，白天由陽(yáng)光充電并在夜間使用。雖然目前的研究還圍繞在小尺寸的電池，但Zaghib看好為能量?jì)Υ娴葢瞄_(kāi)發(fā)出10-20千瓦時(shí)(kwh)更大尺寸電池的潛力。他說(shuō)：“如今，如果你想要在自家發(fā)電，必須在屋頂上安裝太陽(yáng)能板，并且把電池放置于家中地下室或車(chē)庫?！?/p>

　　而自充電電池的概念意味著(zhù)家庭中的太陽(yáng)能發(fā)電系統只需放在屋頂上，Zaghib說(shuō)，這個(gè)概念甚至還可以導入車(chē)子，不過(guò)還需要更多的考慮，因為車(chē)用電池通常放在底盤(pán)?？傊?，“我們正思考一些新的設計，”Zaghib說(shuō)。