納米結(jié)構(gòu)讓電池增壽
目前，許多高能效的鋰離子電池都存在一個致命缺陷，即在多次充電后便會失效。這種缺陷嚴(yán)重限制了電池在電動汽車和插入式混合動力汽車上的應(yīng)用效果。日前，斯坦福大學(xué)的研究人員利用設(shè)計出的新納米結(jié)構(gòu)，極大地增加了鋰離子電池的可充電次數(shù)。
據(jù)了解，傳統(tǒng)的鋰硫電池平均可以充電150次。而利用新的納米結(jié)構(gòu)可以解決傳統(tǒng)鋰硫電池的兩個缺陷。
當(dāng)鋰硫電池放電的時候，硫和鋰會結(jié)合形成硫化鋰；當(dāng)充電的時候，又會再次形成獨(dú)立的硫。但在這個反應(yīng)過程中也會形成許多其他的多硫化合物。如果這些多硫化合物流出電極之外，反應(yīng)就無法循環(huán)完成，也就限制了電池可以儲存的電量。經(jīng)過幾次充電循環(huán)以后，這些多硫化合物會積累起來，進(jìn)一步降低電池容量。
研究人員發(fā)現(xiàn)，多種納米結(jié)構(gòu)可以將多硫化合物限制在電極里。但這些設(shè)計在鋰硫電池中會遇到第二個問題：硫的膨脹會破壞納米結(jié)構(gòu)，讓多硫化合物逃逸出來。
研究人員首先造出球形硫納米顆粒，并用氧化鈦外殼包裹它們。氧化鈦外殼的設(shè)計是為了固定住多硫化合物，不讓它們離開電極。隨后溶解部分的硫，在外殼內(nèi)部留出空間。這些空間可以讓硫在膨脹的時候不破壞氧化鈦外殼。
利用這種設(shè)計方法可以讓電池在500次循環(huán)后還有81%的容量，循環(huán)1000次以后還有67%的容量。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)教授崔屹（音譯）表示，在這種電池中的納米材料制造方法簡單，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)制造。而且這種電池的商業(yè)版本也許可以把鋰離子電池的容量再增加大約一倍。
盡管這樣的設(shè)計對某些應(yīng)用項目來說已經(jīng)足夠好了，但是理想的電動汽車電池需要在多至3000次充電循環(huán)以后還有80%的容量，也就是說在汽車的使用壽命里可以達(dá)到每天充一次電。為此研究人員還在繼續(xù)尋找可增加充電次數(shù)和電池容量的方法。
在納米水平上研究減排水泥
據(jù)悉，瑞士國家科學(xué)基金會日前正資助研究團(tuán)隊進(jìn)行有關(guān)“綠色”水泥的研究。
目前，最常見的水泥是碳酸鹽水泥，在其制造過程中需要燃燒碳酸鈣，這會釋放大量的二氧化碳。以印度為例，在2007年，印度全國二氧化碳排放量的5%就來自于國內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)。然而，水泥作為基礎(chǔ)建筑材料還需要滿足兩項標(biāo)準(zhǔn)：極好的硬度和組成元素的易得性。
至今為止，所有試圖取代或部分取代碳酸鈣燃燒方法生產(chǎn)出來的水泥都在硬度上表現(xiàn)欠佳。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建筑材料研究所教授埃伊曼紐拉提出了在納米水平上對水泥的機(jī)理進(jìn)行更好的理解，以確定物理和化學(xué)參數(shù)并改進(jìn)水泥生產(chǎn)的碳排放而不降低其硬度。
早些時候，麻省理工學(xué)院的研究人員曾在實(shí)驗(yàn)中使用了一種可以在亞微米級別上施加機(jī)械壓力的儀器，在亞微米水平上發(fā)現(xiàn)了水泥的密度變化，但卻無法解釋原因。埃伊曼紐拉在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一種組成成分十分無序的非晶態(tài)材料，并將研究集中在納米水平上。她認(rèn)為：“只有在納米水平上，某些材料的性質(zhì)才能被揭示出來。這也適用于水化硅酸鈣，一種水泥的主要成分，在和水混合變硬的過程中起到重要的作用。”
據(jù)了解，研究人員首先設(shè)計了一個水化硅酸鈣納米顆粒的包裝模型。隨后用數(shù)值模擬方法來觀察模型。實(shí)驗(yàn)證明，水泥在納米水平上不同的密度分布可以用納米顆粒大小的相異性來解釋。在這樣一個關(guān)鍵的水平上，納米顆粒大小不同的材料比納米顆粒相同的材料硬度更大。這一發(fā)現(xiàn)或許可以應(yīng)用到硅酸鹽水泥的生產(chǎn)中。
納米發(fā)電機(jī)利用摩擦充電
佐治亞理工學(xué)院的研究人員日前開發(fā)出一種能利用手機(jī)在口袋中的晃動所產(chǎn)生的靜電給手機(jī)充電的產(chǎn)品。
從理論上講，人們行走和呼吸所產(chǎn)生的動能都可以給植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備，或其他電子產(chǎn)品充電。佐治亞理工材料科學(xué)專業(yè)教授王中林（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊通過采用納米技術(shù)來制造壓電材料，并放大壓電效應(yīng)。
在干燥的天氣使用塑料梳子梳頭就很容易產(chǎn)生靜電。研究人員發(fā)現(xiàn)，使用一片聚對苯二甲酸乙二醇酯材料和一片金屬材料，這種靜電充電現(xiàn)象，或稱作“摩擦起電”效應(yīng)，能產(chǎn)生足夠的能量。當(dāng)彎曲時，兩片薄膜之間將產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)充電。而如果采用納米技術(shù)來制造兩種表面，那么有效面積將更大，從而提供更強(qiáng)的摩擦和更多的電能。
據(jù)了解，這種納米發(fā)電機(jī)能將機(jī)械運(yùn)動能量的10%至15%轉(zhuǎn)換為電能，而更薄的材料轉(zhuǎn)換率甚至可以達(dá)到40%。指甲蓋大小的摩擦電納米材料在彎曲時能產(chǎn)生8毫瓦電力，足以驅(qū)動心臟起搏器。而一塊25平方厘米的材料能同時點(diǎn)亮600盞LED燈泡，或是為手機(jī)電池充電。
不過到目前為止，基于壓電效應(yīng)的納米發(fā)電機(jī)還沒有產(chǎn)生較大的電力輸出。所以，目前還不清楚這樣的納米發(fā)電機(jī)是否能在實(shí)驗(yàn)室之外得到應(yīng)用。不過，有約50種普通塑料、金屬和其他材料在配對時都可以產(chǎn)生同樣的發(fā)電效果。
