奈米神技讓磚頭變電池!所有磚造建築物都能變成發電站

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 13 日 8:15 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


科學家將毫不起眼的房屋磚頭變成可儲存電力的電池,此突破著實提高建築物有一天成為真正發電站的可能性。不僅如此,這項研究也可能為廉價的再生能源超級電容(Supercapacitor)儲能系統開闢蓬勃發展的大道。 

這項新技術利用燒製紅磚的多孔特性,將可儲存電荷的導電塑膠微小奈米纖維填充至孔隙。目前第一批做好的電力磚(Power Bricks)存飽電力後僅能驅動小燈泡,但如果容量提高,很有可能成為普遍使用的鋰離子電池低成本替代品。

電力磚應屬超級電容而非電池,目前第一批原型儲能密度僅達鋰電池 1%

嚴格來說,電力磚是超級電容而不是電池。超級電容在固體以靜態電荷形式儲存電能,不像電池透過化學反應儲能。超級電容的優勢在於,充放電速度遠比電池快,但迄今為止,只能保留一小部分能量。

世界各地研究人員都在努力提高超級電容的能量密度,以及電池的充電速度。找到更好儲存電力的方法是因應氣候危機的關鍵,因唯有如此才能讓大量間歇性可再生能源儲存到需要時的容量。

「屋頂太陽能電池必須將電能儲存在某個地方,通常我們會透過電池儲存電能,」研究小組成員的美國聖路易斯華盛頓大學(Washington University)Julio D’Arcy 表示:「雖然我們還沒到那一步,但我們所做的是提供全新、值得深入思考的選項。」

據《自然通訊》(Nature Communications)期刊報導,第一批電力磚的儲能密度僅為鋰離子電池 1%。D’Arcy 認為,透過加入金屬氧化物等材料,便能儲存更多電荷,進而將儲能密度提高 10 倍,並使電力磚成為可行的商業訴求與主張。

但終極目標當然是希望達到和鋰離子電池一樣的能量密度。「如果是這樣,這項技術會比鋰離子電池便宜多了,」D’Arcy 表示:「這將是全然不同的世界,你不會再聽到『鋰離子電池』這個詞。」

(Source:論文

電力磚可循環充電 1 萬次,但性能突破還有很長的路要走

英國倫敦大學學院(University College London)電化學工程(Electrochemical Engineering)教授 Dan Brett 指出:「考慮建築結構的能量儲存時,熱能一直是最重要的課題與領域。這項研究也顯示儲存電能的潛力。與客製化超級電容相比,電力磚性能突破還有很長的一段路要走,但原理已證實,所以還有很大的改進空間。」

研究人員利用化學蒸汽與磚塊的紅氧化鐵起反應,然後形成密布塑膠奈米纖維的網路,製造出小型電力磚原型。他們並使用叫做 Pedot 的特殊塑膠,它是非常棒的電導體。這些反應使紅磚變成深藍色。超級電容的另一個優點是,失去蓄存電能的能力之前,可支援比電池更多次充電和再充電。容量顯著下降前,電力磚可循環充電 1 萬次。

第一批電力磚儲存的電荷太小,所以觸碰時不會有任何觸電感。但一整面由電力磚砌成的牆就需要塗上絕緣塗層,科學家用環氧樹脂證明這一點,甚至可讓電力磚在水底正常運作。D’Arcy 指出,製造電力磚的化學反應可能會對結構性能造成些許削弱,但無論如何,磚頭是最常用在房屋裝飾外牆的建材。

英國華威大學(University of Warwick)電力電子學(Power Electronics)教授 Richard McMahon 認為這項研究很有趣。「能量儲存是當代人們非常感興趣的課題,尤其是以電形式的儲能。儘管這項工作是可能性的有趣展示,但離實際應用還有很長的路要走。」

自 2010 年以來,鋰離子電池成本下降 90%,即使在山區,抽水發電仍是最有效的方案。但儲存大量電力仍是一大挑戰,這促使人們積極尋找替代能源。

如今有一家公司利用重力儲存能量,亦即將巨大磚塊堆疊成一座塔,然後再將磚塊放回地面以釋放能量。目前能源界也正在探索使用重物和礦坑儲能的方案。另外還有一種選項是將空氣壓縮成液體以儲存能量,英國曼徹斯特附近就有一座以這類型儲能的大型工廠正在施工。目前有一些專家支持氫能,可透過再生能源分解水產生氫能。

(首圖為示意圖非實磚,來源:pixabay