科學家發明靠「金屬表面發電」的新技術

當電子設備需要的電源時,只有兩種選擇,那就是電池和採集器。電池內部能存儲能量,但是它們很重並且供應有限。 太陽能電池板等採集器能從它周圍環境收集能量,它避免了電池的一些缺點,但也增加了新的缺點,因為它們只能在特定條件下運作,並且不能快速的將這種能量轉化為有用的電能。美國賓州大學科學與工程學院的研究人員正在解決這兩樣問題,他們發明了一個稱為「金屬空氣清道夫(metal-air scavenger)」的技術獲得了兩全其美的結果。這種金屬空氣清道夫的工作原理類似於電池,它透過反覆破壞並形成一系列的化學鍵來提供能量。 但是它也像採集器一樣運作,因為電力是由它周圍環境中的能量所提供的,特別是金屬空氣清道夫周圍空氣中的化學鍵。結果是它的電密度比最好的能量採集器多10倍,而能量密度是鋰離子電池的13倍。

長遠來看,這種能源可能會成為機器人技術新典範的基礎,機器人能透過尋找和「吃掉」金屬來保持自身的動力,像人類吃食物一樣,破壞它的化學鍵以獲得能量。賓州大學年度Y獎競賽( Y-Prize Competition)的獲勝者們創立了公司,他們計劃使用金屬空氣清道夫為發展中國家離網房屋的低成本照明燈與運輸貨櫃的防盜跟防人口販運感應器供電。

機械工程和應用力學系的助理教授James Pikul與他的實驗室成員Min Wang和Unnati Joshi一起發表了一項研究,展示了金屬空氣清道夫的能力。開發金屬空氣清道夫的動機來自一個事實,那就是對於微型機器人來說,它們的大腦技術和為機器人提供動力的技術在本質上無法配合彼此。隨著電晶體尺寸的縮小,更小更輕的晶片提供了更多的計算能力。 不過,當電池變小並不能以同樣的方式受益,它材料中的化學鍵密度是固定的,所以較小的電池表示較少的鍵斷裂。

Pikul表示:「電腦性能和能量存儲之間的這種逆關係使小型設備和機器人很難長時間運作。 有一些像昆蟲一樣大的機器人,但是它們只能運作一分鐘,然後電池電量就會耗盡。」

更糟的是,裝更大的電池並不能使機器人的壽命更長, 增加的重量在移動上將消耗更多的能量,從而抵消了較大電池所提供的額外能量。 要解決這種逆關係的唯一方法就是尋找化學鍵,而不是將它們攜帶在身邊。

Pikul表示:「太陽能、熱能或振動能的採集器正在變得越來越好。它們通常被用在為離網的感應器和電子設備供電,那些地方沒有人可以幫你換電池。 問題在於它們的低電密度,這表示它們轉換環境中能量的速度無法比電池能送電的快。我們金屬空氣清道夫的電密度比最好的採集器高十倍,以至於我們可以與電池競爭。它使用的是電池化學,但沒有相關的重量,因為它是從環境中吸收這些化學物質。」

像傳統電池一樣,金屬空氣清道夫一開始連接到它供電設備的陰極。 陰極下面是一塊水凝膠,這是由聚合物鏈組成的海綿狀網絡,它攜帶的水分子會在金屬表面和陰極之間傳導電子。 水凝膠充當電解質時,它接觸的任何金屬表面都將充當電池的陽極,從而使電子流到陰極並為連接的設備供電。研究人員將一輛小型電動汽車連接到金屬空氣清道夫, 將水凝膠拖在後頭,金屬空氣清道夫車輛會氧化它經過的金屬表面,從而在它的軌跡中留下微小的鏽蝕層。為了證明這種方法的有效性,研究人員將他們的金屬空氣清道夫車輛在鋁表面上繞圈行駛。 車輛配備有一個小型儲水罐,不斷將水吸入水凝膠中以防止它變乾。

Pikul表示:「能量密度是可用能量與承受重量的比例。 即使考慮到多餘的水重量,金屬空氣清道夫的能量密度也是鋰離子電池的13倍,因為車輛僅需攜帶水凝膠和陰極,而無需攜帶提供能量的金屬或氧氣。」

研究人員還將金屬空氣清道夫車輛在鋅和不銹鋼上進行了測試。 不同的金屬賦予金屬空氣清道夫不同的能量密度,這取決於它們的氧化潛力。這種氧化反應僅發生在表面100微米之內,因此,儘管金屬空氣清道夫可能會因重複行駛耗盡所有可用的鍵,但幾乎不會對它清除的金屬造成重大結構損壞的風險。

Pikul表示:「短期內,我們將看到我們的金屬空氣清道夫為物聯網技術供電。 但是真正令我們著迷與這項研究背後的動機是它將如何改變我們對機器人設計的思考方式。隨著我們創造出更聰明與更強大的機器人,我們不再需要將它們插到牆上。 他們現在可以像人類一樣為自己找到能源。 有一天,一個需要靠電池充電的機器人只需要找到一些鋁就可以用金屬空氣清道夫來「吃掉」它,這將為它提供足夠的動力使它工作到下一頓餐。」

參考資料: ACS Energy Letters

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