多样化电池技术展望：6种新型电池技术大汇总

【电源网】在发展进程中，新技术的出现总是能够给人们带来更大的便捷。而电池技术的发展也不例外，从以前小型碱性电池的一步步发展到可用作汽车、电动车动力的锂电池，每一步的突破都为清洁能源的发展推进了一个脚步。在当今社会中，不断地发展清洁能源或可再生能源技术都成为了跨入下一个电池技术时代的一个进步。因此近期小编整理了6中新型电池技术，来给大家说一说。

一、污水尿液能发电——微生物燃料电池技术获突破

微生物燃料电池并不是一个新概念。早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，他用铂作为电极成功制造出了世界第一块微生物燃料电池。最近，美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授Bruce Logan的研究组尝试开发微生物燃料电池，试图将未经处理的污水转变成干净的水，同时发电。该项技术未来还可能实现海水淡化。

科技的发展能令许多尘封的梦想照进现实。一块看上去如此“微小”的电池，究竟隐含了怎样“巨大”的能量?

污水中蕴含电能价值

目前，污水处理费时、费钱，还消耗大量能量，基本是个隻投入不产出的行业，成为各国政府头疼的一大难题。有数据称，5%的电力消费被用于污水处理。因此，又能净化水质、又能发电的微生物燃料电池一旦出现，将有望把污水处理变成一个有利可图的产业。Bruce Logan教授认为，未来污水处理厂通过使用微生物燃料电池不仅可以满足自身用电，还能向外输电。虽然目前还没有商业产品问世，但多伦多大学的科学家戴维·伯格雷曾估计，污水中潜在的电能价值是其处理成本的10倍。Bruce Logan教授则认为，隻要能利用潜在电能的1/20，污水处理厂就可以解决污水处理成本。不过他估计，微生物燃料电池实现工业应用还需5~10年。在现阶段，突破工业应用的关键问题仍然是如何继续降低成本、提高电池性价比。据悉，在早期的研究中，Bruce Logan所在的研究小组使用了大量昂贵的材料，如昂贵的石墨电极、聚合物以及铂等贵金属。但其最新的电池系统已经使用了更便宜并且更环保的材料。“我们现在已经可以不用任何贵金属了。”Bruce Logan教授说。

尚处于实验室阶段 但应用前景广阔

中国科学院广州能源所研究员孔晓英在接受采访时表示，微生物燃料电池目前还处于实验室研究阶段。但经过科研工作者的不懈努力，它在各个方面都取得了显着突破。微生物燃料电池的应用范围相当广泛，塬料已由简单的葡萄糖、乙酸发展到各种废水、农业和畜牧废弃物、城市生活有机垃圾、海水河水沉积物等復杂的材料。在功能上，也由单纯的产电拓展到处理废水、辅助产氢、海水淡化、土壤修復及CO2的捕获等。“微生物燃料电池有很多不同的‘模样’，从两室到阴极和质子膜压合在一起的单室，从有膜到无膜，从电池单体到电池组，小到纽扣电池，大到大型柱状电池，无不体现了科研人员丰富的想象力及创造力。”孔老师说。

据孔老师介绍，微生物燃料电池与其他电池相比，具有燃料来源多样化、操作条件温和、无需能量输入、能量利用的高效性、生物相容性等独有特点。但是与化学燃料电池相比，微生物燃料电池的功率输出大约低4个数量级。“虽然微生物燃料电池在电能输出方面没有竞争优势，但是在很多方面有很好的应用前景，可以发展为廉价、长效的电能系统。将废水中的有机污染物转变成电能，能为边远地区或无人的地方提供微能源，修復土壤，淡化盐水，协助产氢，它还可以成为新型的人体起搏器、生物传感器等。”孔老师说，“然而，如何集成各方面的优势技术，使微生物燃料电池得到广泛应用是亟待解决的问题。另外，利用復杂有机物产电的机制、微生物群落代谢网络等问题仍需深入研究。”

优势：将有机物“变废为宝”

英国布裡斯托尔机器人实验室的研究人员克裡斯·梅尔赫什表示，从理论上来说，隻需要找到合适的微生物，微生物燃料电池可由任何有机物质来驱动。孔老师对此观点表示认同。“‘合适’的微生物要满足两个条件：一是能够很好地利用塬料﹔二是将代谢塬料产生的电子传递到电池电极上。”孔老师举例说，例如想利用富含纤维素的废纸、木头、玉米叶、玉米秆等制作微生物燃料电池，首先要找到纤维素降解微生物。牛的胃液是不错的选择，可从活奶牛胃裡获取瘤胃胃液，通过置入到奶牛瘤胃上的套管提取胃液，然后将含纤维素的塬料及含纤维素降解微生物的胃液混合后加入到燃料电池装置中，经过反復“驯化”，使微生物适应电极的电子传递，就可能得到一种利用废弃有机质的微生物燃料电池。美国俄亥俄州立大学就是利用奶牛胃液制作了降解纤维素的燃料电池。孔老师告诉记者，微生物燃料电池的塬料很广泛，不同类型的电池塬料也不同，如处理废水的微生物燃料电池的主要塬料就是废水，土壤修復的微生物燃料电池塬料是土壤。

那些新奇的微生物“发电”新技术

可以说，几乎任何类型的有机废物材料都可作为微生物燃料电池的产电塬料，如麦草秸秆、动物粪便以及葡萄酒、啤酒或奶制品行业的废水等。但不管什么类型的微生物燃料电池，所採用的塬料本质上都是糖类、醇类、蛋白质等有机物。

专家评析：

利用尿液或者乳清来制造微生物燃料电池在实验室进行基础研究是可行的，以上两个发现都是在特定的条件下实现的。在尿液制作微生物燃料电池的实验中，研究人员利用了无疾病人员正常代谢产生的尿液作为培养液，对来自污水处理厂的活性污泥进行“驯化”，以此构建的微生物燃料电池得到了极小的电能。由于微生物在低浓度的情况下对有机塬料是可以正常启动的，但在高浓度下，则要进行稀释。同时，如果在实际运行中找到合适的产电微生物及高效的电池配置，也能广泛地利用各种成分的尿液或乳清，并提高电能。“血糖发电”：日本东北大学开发出了一种利用血液中的糖分发电的燃料电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足的电量，为心臟起搏器提供能量。

“尿液发电”：为处理密闭的宇宙飞船裡宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种巧妙的方案：用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，它会产生氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质，这样既处理了尿液，又得到了电能。一般在航天条件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦电力。“乳清发电”：希腊研究人员研发出了以乳清为塬料的微生物燃料电池。研究人员表示，乳清是制造奶酪的副产品，该研究可让工厂从乳清等有机废物中回收能源。乳清富含乳糖，微生物燃料电池中的微生物通过消耗乳糖来产生电流。这种新型燃料电池虽然最近几年才走进大众的视野，但它正在吸引越来越多人的关注，人们希望它在处理废物的同时产生电力。

二、技术突破进入新阶段：“塑料”太阳能电池

瑞士电子与微技术中心(CSEM)巴西公司日前宣布，他们在“塑料”太阳能电池研究上获得突破，以有机聚合体替代单晶硅制造太阳能电池的技术已进入商业开发阶段。受此推动，可发生光电效应的有机聚合体薄膜产业将面临大发展。尽管国内上市公司尚未涉及该产业，但太阳能电池背板膜的需求会受到带动。

塑料太阳能电池研究获得突破

瑞士电子与微技术中心(CSEM)巴西公司日前宣布，他们在“塑料”太阳能电池研究上获得突破，以有机聚合体替代单晶硅制造太阳能电池的技术已进入商业开发阶段。

所谓“塑料”太阳能电池，就是将可发生光电效应的有机聚合体薄膜，印在碳基板上并连接成为电池组。与传统单晶硅太阳能电池相比，“塑料”太阳能电池具有轻巧、廉价的显著特点，并且生产过程中污染较小。据“美洲大地”网站报道，虽然欧美国家已开发出类似技术，但发电功率小，只适用于给手机等小型电器供电。CSEM巴西公司技术人员表示，他们的新技术可制造较大面积的“塑料”太阳能电池板，以满足普通家庭用电需求。如果在建筑顶棚等开阔空间安装这种太阳能电池板，发电规模将非常可观。CSEM巴西公司称，“塑料”太阳能电池的成本远远低于传统的太阳能电池，因而已投入到商业开发阶段，同时希望引进私人企业的参与和投资。

5-10年内有望大规模商用

据报道，英国科学家的一项最新研究或能加速塑料太阳能电池的应用步伐，使其在5到10年内实现商用。这种太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保，可大规模应用。有专家认为，这或将对传统晶硅类太阳能电池造成冲击。由英国谢菲尔德大学和剑桥大学的研究人员进行的这项研究，借助英国卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS中子源和“钻石光源”对塑料太阳能电池的内部结构进行探测，并以此为依据对相关工艺作出改进，提高了太阳能电池的整体性能。新方法并未采用昂贵的技术来制造特定的半导体结构，而是通过批量印制工艺，用两种不同的感光物质在塑料薄膜上“印”上了一层厚度只有60纳米的电路结构。整个制造过程都在较低的温度下进行，可采用“卷对卷印刷”技术大规模生产，且该工艺在总体上可显著降低能耗和材料浪费。

此外，与传统晶硅类太阳能电池切割封装工艺相比，新技术的生产效率更高，一次印刷就可生产出几个足球场大小的太阳能电池，而且大规模生产的成本也将远低于传统晶硅类太阳能电池。在使用上，这种太阳能电池重量轻、易运输、可卷曲，在安装时甚至可以直接附着在建筑物表面而不占用额外空间。研究人员称，这种聚合物太阳能电池的转化效率目前可以达到7%-8%，下一步有望提高到10%以上。

谢菲尔德大学教授理查德。琼斯说，今后50年，传统化石能源将无法满足世界日渐增长的能源需求，目前来看，在可再生能源中最有希望取代化石能源的就是太阳能，但成本高、转化率低一直限制着太阳能技术的应用。新技术让太阳能电池的低成本生产和大规模铺设成为了现实，为新型太阳能电池的制造和可再生能源的发展铺平了道路。琼斯预测，在未来5到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟，并实现大规模商用。

三、纳米太阳能电池有望打破能量转化率瓶颈

据《自然光子学》杂志最新发表的一项研究称，纳米线可吸收比普通太阳光强度高14倍的太阳光。科学家预测，未来纳米线不仅在太阳能电池领域，而且在量子计算机和其他电子产品中也有巨大的发展潜力。丹麦哥本哈根大学尼尔斯波尔研究院纳米科学中心和瑞士洛桑理工学院的研究人员表示，由于纳米线一些独特的物理吸光性，使其突破了利用太阳能的极限。尼尔斯波尔研究院的皮特﹒克罗格斯拉普(Peter Krogstrup)博士说，此发现显示了未来纳米线太阳能电池发展的巨大潜力。

近年来，科研人员一直在研究如何改善提高纳米线晶体质量。纳米线晶体呈柱状构造，直径为人头发的万分之一。研究结果表明，纳米线能够在非常小的区域内收集15倍的太阳射线。由于纳米线的直径小于太阳光的波长，因此在纳米线内部和周围能引起光强度共振。克罗格斯拉普博士解释说，共振能够集中太阳光，太阳光又转化为能量，这样太阳能的转化效率大大提高。此外，有瑞典科学家也表示，太阳能电池产生的大量电力也使得太阳光吸收进入纳米线。

克罗格斯拉普称，多年来一直被视为太阳能电池转化效率瓶颈的肖克利-奎伊瑟极限(SQ极限)看来有可能突破。尽管目前的研究结果只提高了几个百分点，但是这对发展太阳能电池、开发纳米太阳能射线以及全球能源开发将会产生重要影响，只是纳米线太阳能电池的产业化尚需时日。所谓的肖克利?奎伊瑟效率极限测量约为33.5%，就是单个p-n结太阳能电池。这意味着，如果太阳能电池每平方米太阳能可收集1000瓦，那么，它能产生的最大电力为每平方米335瓦左右。

本次研究合作单位包括半导体材料实验室、洛桑理工学院、丹麦太阳能电池公司SunFlake A/S公司和基金会，研究内容和结果发表在1月份的《科学》杂志上。位于硅基片之上的纳米线吸收太阳射线。纳米线极有可能成为未来太阳能电池的发展主流。

四、复旦大学研发新型锂电池 电动车充电十秒可跑100公里

记者日前获悉，复旦大学吴宇平教授领导的课题组突破传统旧制，首次提出“电位穿越”理论，并制成了平均充电电压为2.4伏、放电电压为4.0伏的新型水溶液可充锂电池(简称为“水锂电”)，这一成果大大突破了水溶液的理论分解电压1.23伏。最新一期《自然》杂志子刊《科学报道》刊发了这一最新研究成果，该成果已引发美国能源研究机构、企业关注。

据了解，传统方法制造的锂电池生产成本较高，且其中有机电解质溶液存在一定安全隐患。业界一般采用“极化”方案(即不断尝试使用新型的材料制作电极)来解决水锂电的核心问题——防止锂离子和水在低电位发生反应。但该方案只能使水锂电所产生的电压最多达2.0伏，且充放电效率低。吴宇平教授则另辟蹊径，用高分子材料和无机材料制成复合膜，包裹在金属锂外。这层复合膜帮助锂离子的电位在正负极之间“时空穿越”——在它的作用下，质子和水分子无法在低电位下得到电子，就不会在锂离子迁移过程中产生损耗。吴教授打趣说：“你可以把它看成一道‘任意门’，锂离子的电位经过膜，一下就到了负极，然后又直接从负极回到正极，就好像科幻片中，人跨过虫洞可以直接在地球和外太空之间往返。”正因此，课题小组把这一新发现称作“电位穿越”。

据介绍，该包裹复合膜的新型水锂电可大幅降低电池成本，其能量密度比目前普遍采用的有机电解质的动力锂离子电池高出80%，从而使电池充电时间更短，储存电量更多，耐用时间更久。以电动汽车为例，复旦新型水锂电仅需10秒即可完成充电，且能跑上400公里，而其成本仅有传统车用锂电池的一半。目前，该项技术离产业化仅“一步之遥”。据悉，复旦大学自2005年起就一直在开展水锂电这一国际前沿领域的探索，至2007年，在科技部重大基础研究计划和自然科学基金委的资助下，其研究成果和科研水平开始居于世界先进地位。

五、科学家研制可在黑暗中使用的细菌发电生物电池

国外媒体报道，用细菌制成的电池很快将会为我们的电子产品提供电能。科学家已经发现，可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能。这项重大突破将会导致由细菌产生的清洁电流，或称“生物电池(bio batteries)”诞生。该研究成果发表《美国国家科学院院刊》上，它显示，细菌接触到金属或者是矿物质时，它们体内的化学物质就会生成电流，并通过细胞膜流出体外。这意味着可以把细菌直接“束缚”到电极上，这一发现表明我们又向成功制出高效微生物燃料电池迈进了一大步。研究人员制成海洋细菌希瓦氏菌的合成版本，他们仅采用了被认为是这种细菌用来把电子从岩石上转移到体内的蛋白。然后他们把这些蛋白质嵌入到一层层泡囊中，这些是微小的油脂(脂肪)囊，例如组成细菌膜的那些物质。随后他们对电子在细菌体内的给电子体和体外用来提供矿物质的一块金属之间的传输情况进行检测。

英国东安格利亚大学的生物学家汤姆-克拉克博士说：“我们知道细菌能转移金属和矿物质里的电子，这种互动主要取决于细菌体表的特殊蛋白。但是目前我们还不清楚，这些蛋白是直接还是间接通过环境中一种我们不知道的介质做到这些的。我们的研究显示，这些蛋白质能够直接‘接触’矿物质表面，并产生电流，这表明细菌可能是依附在金属或者矿物质表面，通过它们的细胞膜传导电流的。事实上这是我们第一次观测到细菌细胞膜的组成成分是如何与不同物质发生互动的，并首次了解了金属和矿物质在细胞表面发生的互动存在多大差异。这些细菌展现出作为微生物燃料电池的巨大潜能，它们可以通过分解家庭或者农业废料产生电流。”

克拉克说：“另一种可能性是把这些细菌当作电极表面的微型工厂，电极通过这些蛋白质提供的电能促使细胞内发生化学反应。科学家已经清楚，细菌会对矿物质和金属产生影响，但这是首次证实它们可以直接释放电流。在这方面可能有其他种类的细菌比我们当前采用的细菌做得更加出色。未来的生物电池将在没有太阳能的黑暗环境下特别实用，这是因为它们能在震后的偏远地区或者是海洋深处持续工作。”美国太平洋西北国家实验室的生物化学家、研究人员史梁(Liang Shi)说：“我们研制了一种独特系统，这样我们就能模拟细胞内发生的电子转移过程。我们测量的电子转移率快的令人难以置信，这种速度足以支持细菌的呼吸作用。”更为重要的是，这一发现还有助于我们了解碳是如何在大气层、陆地和海洋之间循环的。史梁说：“当有机物通过化学反应致使铁减少时，会释放出二氧化碳和水。而把铁作为一个能量源时，细菌会把二氧化碳组合成食物。如果我们了解电子转移，我们就能弄明白细菌是如何控制碳循环的。”

通过显微镜看到，海洋细菌希瓦氏菌的合成版本与碳电极发生互动

汤姆-克拉克博士正在东安格利亚大学进行研究的希瓦氏菌

汤姆-克拉克博士正在东安格利亚大学进行研究的希瓦氏菌

生物电池可以用来为手机充电器提供电能

六、基于植物的可回收太阳能电池

美国乔治理工学院和普渡大学的研究人员开发出一种基于源自植物天然物质如树木的新型太阳能电池，这种有机太阳能电池所采用的可再生原材料基质，使用后可被简单地回收。这项研究由乔治理工学院的工程教授Bernard Kippelen领衔，这名教授始终在致力于可持续、可再生太阳能电池技术的协助研究工作。

“太阳能技术有机基片的开发工作一直在持续进行中，也为未来的应用提供了很好的帮助。”Kippelen解释说，“有机太阳能电池应该是可以回收再利用的，另一方面我们也解决了目前的一个问题，即是减少对矿物燃料的依赖，后者在电池使用寿命结束后无法进行简单的处理。”

有机太阳能电池基于玻璃与塑料制成，这两者在回收工作上都比较容易。而Kippelen的太阳能电池则由植物细胞膜质纳米晶体构成(CNC)，这即是源自于类似树木之类的植物。这种电池在寿命终结后，回收工作仅需在常温下将它们浸入水中。在数分钟的浸湿后，CNC基质会溶解，从太阳能电池上简单地分离开来。CNC基片是透明的，本身可透光。虽然2.7%的能源效率相较其他太阳能电池技术的研究还比较低，但其环境效益及简单回收的特性仍是相当吸引人的。未来，研究人员期望提升这种电池产品的效能。“我们的下一步计划就是将其能源转换效率提升至超过10%，达到用玻璃、塑料制成基片的太阳能电池相同的水平。”Kippenlen说。