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2018
03-23

麻省理工学院开发无毒方式生成便携式电源


电力现代生活无处不在的设备,从智能手机和电脑到电动汽车,大多由有毒材料,如锂,可以很难处理和有限的全球供应。现在,麻省理工学院的研究人员已经提出了一种可供选择的发电系统,可以利用热量,不使用金属或有毒物质。

这种新方法是基于2010年由麻省理工学院化学工程专业的P. P. Dubbs教授Michael Strano和他的同事发表的一项发现:一种由称为碳纳米管的小碳圆柱体制成的导线可以产生当电流从一端逐渐加热到另一端时,例如通过涂覆可燃材料,然后点燃一端使其像熔断器一样燃烧。

在这个延时系列的照片中,从上到下,碳纳米管制成的电线上的蔗糖(普通糖)涂层在左端点亮,并从一端燃烧到另一端。当它加热导线时,它会随着它一起驱动一个电子波,从而将热量转换成电力。图片由研究人员提供

这个发现代表了一个以前未知的现象,但是当时的实验在一个简单的实验室里只产生了一个微不足道的电流。现在,Strano和他的团队已经把这个过程的效率提高了一千倍以上,并且已经生产出了可以像现在最好的电池一样的电力来投入电力的设备。然而研究人员警告说,将这个概念发展成可商业化的产品可能需要几年的时间。

新成果发表在“能源与环境”期刊上。环境科学,斯特拉诺的一篇论文,博士生Sayalee Mahajan博士15和刘伟业等五人。

掀起浪潮

Strano说:“事实上,这个现象还没有被研究过”,他的团队在这个项目上的大部分工作都集中在不仅提高工艺效率上,而且还“发展这些事情的工作原理“。他说,最新的实验表明,理论和实验结果之间有很好的一致性,为底层机制提供了有力的证据。

基本上,当热脉冲推动电子通过碳纳米管束,像一群冲浪者乘着电波携带电子时,效应就会出现。

有助于验证理论的一个关键发现是,有时候热浪会产生单一的电压,但有时它同时会产生两个不同的电压区域。 “我们的数学模型可以描述为什么会出现这种情况,”Strano说,而另一种理论无法解释这一点。根据团队的理论,热力波浪“分成两个不同的组成部分”,有时相互强化,有时相互抵消。

他说,效率的提高“将技术从实验室的好奇心带到了其他便携式能源技术的领先地位,如锂离子电池或燃料电池。在最新版本中,该设备将热能转化为电能的效率超过1%,该团队报告说,这比之前的报告“效率提高了几个数量级”。事实上,能效大约是10000次大于原发现报告中报告的数据。

斯特拉诺指出,“锂离子技术需要25年时间才能达到目标”,而这项技术只有大约五分之一的发展时间。如果材料暴露在户外,锂是非常易燃的 - 不像新设备中使用的燃料那样安全,也是可再生资源。

一勺糖

虽然最初的实验已经使用了潜在的爆炸性物质来产生驱动反应的热量脉冲,但新作品使用了更为良性的燃料:蔗糖,也就是普通的表糖。但是团队认为其他燃烧材料有可能产生更高的效率。 不同于其他特定化学配方的技术,基于碳纳米管的电力系统只是在热量下工作,为了更好地开发热源,他们可以简单地换成系统来提高性能,Strano说。

该设备已经足够强大,足以证明它可以为简单的电子设备(如LED灯)供电。而不像电池,如果长时间储存​​会逐渐失去电力,新系统应该有一个几乎无限期的保质期,刘说。这可能使其适用于诸如深空探测器的使用,该探测器在行进到遥远的行星中时仍处于休眠状态,然后在到达目的地时需要快速突发的功率来发回数据。

另外,新系统的可扩展性非常好,可用于正在出现的越来越小的可穿戴设备。电池和燃料电池有一定的局限性,使其很难缩小到很小的尺寸,Mahajan说,而这个系统“可以缩小到非常小的范围。 “

澳大利亚皇家墨尔本理工大学电子与计算机工程教授Kourosh Kalantar-Zadeh说:”这项工作是“提高热电波系统的能量和寿命的重要证明”谁没有参与这项研究。他说:“我相信我们距热波器件可能达到的上限还很远。 “但是,这一步使得该技术对于实际应用更具吸引力。”他补充说,利用这项技术,“我们可以获得惊人的电力突发,这是电池无法实现的。例如,热电波系统可用于驱动微型和纳米电信集线器中的长距离传输单元。“

来源:麻省理工学院David L. Chandler编写