纤维素和纳米管相结合——易于塑型的电池由此诞生——

无论从字面上还是设计的层面来讲,电力存储设备的塑形性前景正变得越来越光明。最近,迄今储电量最大且易于塑型的电池出现在世人面前。

纽约莱塞拉尔理工学院材料科学和工程学院的普利克尔·阿贾扬(Pulickel Ajayan)及其同事,将碳纳米管道(由碳原子制成的管状电导分子)和造纸原料——纤维素,加以混合制造了这种新材料,相关结果已经在《美国国家科学院院刊》上发表。文章称这是一种廉价,容易塑型且如同纸张一样轻薄的储能器。

从广义上讲,存储电能的设备分为电池和电容两大类。电能最初以化学能的形式存储在电池内,当化学反应发生时电流随之产生,然而这种被誉为“高能量密度”的设备释放电能的速度却相对来说比较缓慢。如果需要在短时间内获得较大的电流,那么电容会更适合一些。它是一种“低能量密度”设备,电能被直接存储在导电板上。一端为正极,另一端为负极。当两块极板接入电路后,存储在电容上的电荷就会在两块极板间迅速移动,瞬间产生远大于电池的电流,照相机的闪光灯就是应用这一原理。

阿贾扬教授的设备之所以能够得到使用者的认可,其关键在于通过恰当的塑型,这种设备就能变成电池、电容器或两者的复合体。由两层纳米管道组成的平板就可以用作电容器(每一层相当于一个极板)。如果只有单层纳米管道,且另一面镀金属锂层,这样的平板就类似一个锂电池。上述两种结构可以根据需要互相转换。

制造这一材料的关键部分是一种奇妙的溶剂,被称之为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。这种溶剂有一种特殊的功能,它能在溶解纤维素的同时还能够充当电解液。也就是说,它是一种能够以带电分子的形式在电池的电极间传递电流的化学物质。因而它能够在设备的制造和使用过程中将电池和电容器的两种性能合二为一。

结果显示,这一新材料能在-80℃～80℃的温度范围内工作,并且能够像纸张一样卷起、折叠、剪裁而丝毫不影响其性能。在执行太空任务时,这种材料可以被粘贴在折叠型太阳能电池板上;在地球上,它可以作为沙漠和极地作业的便携式能源。

需要特别提出的是,三层纳米管道的设计模式能够提供独特的混合能源。它的特性可以满足既需要高强度电流又需要像电池那样输出平稳电流的要求。而且,在其充电和放电的模式下都可正常工作。这些特性正好可以应用于混合燃料型汽车:刹车后,人们通常利用电动机来启动,启动用的能量供应通常存储在电池里。但是这类的汽车在启动时需要较强劲的电流。而阿贾扬博士的设备能够比传统电池更好地满足这一需求。

和传统的电池一样,这一材料也可以通过增加纳米通道的层数来增加其能量输出。但与传统电池不同的是,阿贾扬的纸张电池里没有使用有毒的化学物质,这意味着它在医药领域有着广阔的应用前景。在这一材料中占90%(重量)的纤维素成分,已经在移植领域应用,而碳纳米管道在医学上的应用虽然尚未经过全面的测试,但应属于惰性物质。研究人员已经开展了应用人的体液诸如血液和汗液充当电解液进行了预试验(首先把1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐从材料内吸取干净),实验的结果振奋人心。

下一步就是要实现规模化生产,让这一材料的制造过程就像把纸浆变成新闻纸那样容易。如果有一天你需要更加便携的能源,也许你可以直接从纸卷里抽几张,然后就可以轻松上路了。