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磚頭也能變電池?「未來建築,每棟都是發電廠」?

2020/08/31 環境資訊中心/編譯:姜唯

衛報報導,最新的奈米科技已經能把不起眼的磚塊變成可以儲電的電池,未來的建築物也許能成為真正的發電廠。

這項刊登於《自然通訊(Nature Communications)》期刊的新技術,充分利用紅磚多孔的特性,將磚頭中的孔隙用微小的導電塑膠奈米纖維填滿以儲存電荷。在首次嘗試中,這些磚塊所儲存的電力能點亮小燈。如果可以增加容量,有機會成為鋰離子電池的低成本替代品。

最新的奈米科技已經能把不起眼的磚塊變成可以儲電的電池,未來的建築物也許能成為真正...
最新的奈米科技已經能把不起眼的磚塊變成可以儲電的電池,未來的建築物也許能成為真正的發電廠。 圖/Alan Levine(CC BY 2.0)

儲電磚屬於超級電容 充電和放電速度遠快於電池 但儲存能量少

嚴格來說,這些儲電磚算是超級電容,而非電池。超級電容將電能以靜電荷形式儲存在固體中,而不是像電池那樣透過化學反應儲存。超級電容的優點是充電和放電速度遠快於電池,但是目前為止,它們只能儲存少量能量。

全世界的研究人員都在努力提高超級電容的能量密度和電池的充電速度。尋找更好的儲電方式是因應氣候危機的關鍵,如此才能儲存大量但間歇性的再生能源

研究團隊成員之一、美國聖路易斯華盛頓大學學者達西(Julio D′Arcy)說:「住宅屋頂上的太陽能模組必須將電力儲存在某個地方,通常就是電池。我們的研究很有啟發性,但還不成熟。」

首批儲電磚的能量密度僅為鋰電池能量密度的1%。達西認為,可以透過添加金屬氧化物之類的材料,將磚頭儲存的電荷增加10倍,如果成功,將帶來商業機會。

最終目標是讓儲電磚的能量密度逼近鋰電池。達西說:「如果做得到,這項技術會比鋰電池便宜得多,鋰電池將從此消失。」

圖f顯示,超級電容的儲電磚成功點亮一盞綠色LED燈。 圖/《自然通訊》期刊
圖f顯示,超級電容的儲電磚成功點亮一盞綠色LED燈。 圖/《自然通訊》期刊

探討建築物中的能量儲存時 多數人關注在熱能 其實電能也有其潛力

英國倫敦大學學院電化學工程學教授布雷特(Dan Brett)表示:「探討建築物中的能量儲存時,人們大多關注以熱能的形式儲存。這項研究顯示,電能也有其潛力,雖然距離所謂超級電容還很遙遠,但原理已經得到證明,還很有改進的空間。」

研究人員利用化學蒸氣與磚中的紅色氧化鐵反應,形成塑膠奈米纖維網,製造出了儲電磚的小型原型。其中使用的塑膠是一種叫做「Pedot」的特殊塑膠,因為它是很好的導電體。反應使紅磚變成深藍色。

超級電容的另一個優點是充電次數可以比電池多得多。在儲電磚的容量明顯下降之前,可以循環1萬次。

第一次嘗試時,磚頭儲存的電荷少到連直接觸摸都無感。但是將儲電磚堆成一堵牆後,就要用到絕緣塗層了。科學家們使用環氧樹脂來示範,這讓儲電磚甚至可以在水下作用。

達西說,用於製造儲電磚的化學反應可能會略微影響其結構強度。不過,今日磚頭在建築中最常見的用途是裝飾性的牆壁。

除了儲電磚 也有利用重力、將空氣壓縮成液體等其他儲能研究

鋰電池的成本自2010年以來已暴跌90%,抽蓄發電在有山的地方也很有效,但是儲存大量電能仍然是一個挑戰,促使人們尋找替代品。

有一家公司利用重力來儲存能量,方法是將大磚塊堆疊在塔中,透過將磚塊扔回地面釋放能量。運用配重和豎井的類似方案也正在發展中。

將空氣壓縮成液體來儲能是另一種選擇。英國曼徹斯特附近正在興建一座大型工廠。有些專家支持氫氣,氫氣可以用再生能源分解水來生產。

參考資料

衛報(2020年8月11日),Powerhouses: nanotechnology turns bricks into batteries

本文轉載自《環境資訊中心》(原文標題:磚頭也能變電池?儲能研究揭最新奈米科技 關鍵因素在「多孔」)。

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