美国普渡大学研制出具有自我修复能力的新型太阳能电池.pdf

2 0 1 1年第 2期 浙江 电 力 6 1 美 国普 渡 大 学研 制 出具 有 自我 修 复 能 力 的 新 型 太 阳 能 电池 美 国普渡大学研究人 员研 发 出一 种新型太 阳 能 电池 ，该 电池 可利用 碳 纳米 管 和 D N A技 术模 拟植物光 合系统 ，实现 自我修 复 ，旨在延 长太 阳 能 电池组件 的使用 寿命并降低成本 。 该 大 学 机 械 工 程 助 理 教 授 J o n g Hy u n C h o i 称 通过 光学纳米 材料 制造 出人 T光合 系统 ，用 于收集太 阳能并转换 为电能 。在 电池 的设计 上则 采用具有特殊 电学性 能 的单壁碳纳米 管作为光 电 池 的 “ 分 子 导线 ” ( mo l e c u l a r w i r e s ) 。 常用光 电化学 电池将太 阳光转换 为 电能 。利 用 液态 电解 质传 递 电子 。从 而产生 电流 。然 而 ， 这 种 电池 含有 名 为载 色体 ( c h r o mo p h o r e s ) 的 吸光 染料 ，该染料作 用与 叶绿 素相似 ，在 吸收 阳光后 会 逐渐失去活性 而该新 型电池具有模拟植 物每 小时进行 自我再生 的特征 ，通 过利用单壁碳 纳米 管的特 殊 电学 性能对 被光 破坏 的染料 进行更 新 ， 可实 现满负荷持续供 电。 碳 纳米 管作 为1 I 作平 台起 着锚 定 D NA链 的 作用 ，而 D NA链 在改造 后 可识 别并 依 附于载 色 体 。该 系统 在 D N A识 别染 料 分子 后会 自动开 始 自我组装 载 色体 在更新 时 ，利用具 有不 同核苷 酸 序列 的新 D NA链 产 生化 学反 应 的方 法 ，将受 损染料 分子替换为新载色体 。 对植物 自我修 复机 制模 拟技术 而言 ，有两 大 因素 至关重要 ：分子识别 与热力 学亚稳 态 ( t h e r m0 d y n a m i c me t a s t a b i l i t y ) 由于天然载色体在使 用 时还需采取必要 的细菌 隔离措施 ，因此其利用难 度较 大 ，工业化生产 成本也较 高 ，所 以可考虑使 用名为 卟啉的合成 染料替代生物 载色体 。 目前该 方法仍处 于基础研 究 阶段 ，但将来有 可能实现 业 化 牛 产 。 摘 译 自互联 网 美国研 发适用于大容 量高功率锂 离子电 池 的新 型 纳 米 材 料 美 同伦斯勒理工学 院研 究人员研 制 f I 一种 被 称为 “ 纳米勺 ( n a n o s c o o p ) ” 的新 型纳米材料 ，用其 制成 的新一代 高功率锂离子 电池充 电速 度 比现有 电池快 4 0倍 以上 ，可满足 电动 汽车的 电力需 求。 该材料具有独 特 的材料成 分 、结构 与大小 ，可承 受 目前锂离子 电池无 法实现的超高速充放 电。 研 究证 明 ，与传 统 电池 阳极相 比，该 电池除 了能 量 密 度 不 相 上 下 之 外 ，其 电极 充 放 电速 度 比 前者快 4 0 6 O倍 ，其卓 越的性能有 助于设计 和制 造 出大容量高功率锂 离子充 电 电池 。 研究人 员表示 ，全 电动 汽车的 电池需 同时具 备 高能量密度 与高功率 密度 。众所周 知 ，锂离 子 电池 具有高能量 密度 、低功率 密度 的特 点 ，现有 电动 汽 车采 用高 功 率 密度 的超 级 电 容器 实 现 启 动 、快速加 速等功能 ，传 统高能量密 度 电池适用 于巡航 驾驶及其他操作 。该新技术 可将锂离子 电 池 与超 级电容器 的优点整合 到单 个电池系统 中。 锂离子 电池 阳极会 随着 电池充放 电而膨胀 和 收缩 在充 电时 ，锂离子 的增加使 阳极体 积变大 ： 在放 电时情 况相 反 。 由此导致 阳极 内应力 积 聚 在 电池 高速 充 放 电的情 况 下 如果 应 力 积 聚过 快 ，会 引起 电池过 早失效 ，因此 目前大部 分 电子 设备 的电池充电速度较慢 ，低速充 电模式 也是专 为保护 电池 不受应力损害而设计 的。 该新型 阳极材料 由纳 米结构 阵列构成 ，每个 纳米结构底部 为非晶态碳纳米棒 ，中间是 铝过渡 层 ， 并 采用纳米硅 作为盖顶 。这样 的 层 结构设 计使体积变 化特性各有不 同 ，因此所受应 力 自下 而上呈递增趋 势 。该 结构能快速 吸收 和释 放锂离 子 ，比现有锂离子 电池实现更 高的效率 ，同时不 会对 电池产生持续性 损害 ，在高速充放 电的情况 下也能实现 电极稳定 运行 。该 自然应力递 变有利 于材料界面避免 出现应力骤变 ，从而提 高电极结 构 的完整度 。 研 究 人 员 发 现 ，当 电流 密 度 增 至 5 1 2 A g ( 即充放 电率达 4 0 C) 时 ， 在充放 电循环超过 1 0 0次 后该 电池 阳极平均容量 为 4 1 2 m Ah g ，输 出功率 达 1 0 0 k W k g 当电流密度为 1 2 8 A g时 。 在循环 超 过 1 0 0次 后其 平 均容 量 为 9 0 mA h g ，而功 率 密度 高达 2 5 0 k W k g 。研究 人员认 为 ，在铝 和硅 中间添加 锑 ( S b) 、砷 ( A s ) 之类 的材 料有助 于完善 应力梯度 ，能在提 高电极 性能的 同时增大 其质量 密 度 。 该技 术有利于解决汽 车制造 商在增加 电池功