三位科学家因发明“锂电池”获诺贝尔化学奖，他们是如何发明锂电池的

导读：美国国家可再生能源实验室的科学家们通过将砷化镓薄膜堆叠在带有玻璃夹层的互插式背接触硅太阳能电池上，模拟出一种III-V太阳能电池。科学家们已经完成了一些初步的微型模块集成工作，但要达到商业化，终究还需要大幅扩大尺寸。该电池目前的有效面积为1平方厘米。

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）的一组研究人员通过将砷化镓（GaAs）薄膜堆叠在带有玻璃夹层的背隙接触（IBC）硅太阳能电池上，模拟了一种四端串联的III-V太阳能电池。

该项目的主要研究人员Adele Tamboli表示：“虽然我们已经做了一些初步的微型模块集成工作，但要实现商业化，最终还需要大幅扩大尺寸，这些电池在解决了几个挑战之后可以达到商业化。组件电池都已经在工业规模上进行了演示。然而，成本仍然很高，需要降低。”

科学家们解释道：“该装置的有效面积为1平方厘米，据称与在同一研究水平上建造的类似电池相比，效率更高，因为砷化镓吸收层的厚度得到了优化。如果吸收层太薄，通过顶部电池的传输将增加，而高能量的光子将在较低的电压下被底部电池收集。如果吸收层太厚，接近吸收层材料的少数载流子扩散长度，产生的载流子将过早地重新结合，光子能量会以热量的形式损失掉。”

砷化镓电池是通过金属有机气相外延（MOVPE）在砷化镓衬底上生长的。吸收层的厚度在1.5到3.5微米之间，2.4微米最佳。厚度为300微米的IBC电池由德国的哈梅林太阳能研究所（ISFH）提供。学者们表示：“通过将处理过的砷化镓电池堆叠在非晶硅底层电池上，中间有一薄层用于反转的环氧树脂，来组装串联的电池，然后将得到的电池在室温下固化24小时。”

研究人员发现，当砷化镓厚度超过1.5微米时，所有用这种设计开发的四端串联电池的效率都超过了32%。一个吸收层厚度为2.8微米的电池显示出最高的顶部电池和串联效率，分别为26.38%和32.57%。研究小组强调：“虽然这里的砷化镓顶部电池的填充系数（FF）略有下降，但IBC底部电池表现出的效率比之前使用的硅异质结底部电池略高。”

太阳能是近年备受瞩目的再生能源技术，通过一片片蓝色太阳能电池将阳光转换成电力，随着技术成熟、成本下降，设备量也越来越多，只可惜这些发电的面板到了夜晚、遇到阴天就无能为力，毫无用处。

虽然太阳能系统可以配备电池，把日间能量储存下来供夜间使用，但成本还是比较高，对此，加州大学戴维斯分校团队想研发出截然不同的太阳能板，不仅白天可以发电，夜间也可以，让太阳能板在夜晚不再无用武之地。

根据团队发表在《ACS Photonics》的研究，如果说太阳能板是吸收并将阳光转换成电力，那么这个「反‧太阳能（anti-solar）」就是把地球当成热源、夜空做为散热器，利用深空与辐射冷却概念，研发散发长波辐射的热辐射太阳光电（thermoradiative photovoltaics）。

这种热辐射电池会收集周围的热能和废弃热能，将部分热量做为热辐射传递到大气中，通过此方法来发电。 加州大学戴维斯分校电机工程系教授 Jeremy Munday 表示，不管是一般的太阳能，又或是热辐射太阳光电，这两种太阳能板都是种「热机（heat engines）」。

一般的太阳能板是吸收阳光后，产生电压形成电流，而反‧太阳能虽然是太阳能板散发热辐射、以相反的过程产生电压和电流，但都会发电。Munday 表示，虽然新面板使用材料跟一般太阳能板不一样，但原理是一样的。

目前主流太阳能板材料为硅晶，只能吸收近红外光、可见光及紫外光，波长较长的红外光则完全无法吸收，而现在团队则正持续研究可吸收长波长的汞合金（mercury alloys，汞齐）。最后他们研发出理想状态下，夜间发电量为每平方公尺 50W 的太阳能板，虽然发电量仅是传统太阳能板白天时的四分之一，但仍代表太阳能板踏入新的领域，未来也将会继续提升发电量和转化效能。

Munday 接受 CNN 采访时指出，新型太阳能板也可以装设在工厂，通过吸收废热来实现碳中和。

而该团队也并非第一个瞄准辐射冷却来发想的科学家，事实上过去就有科学家善加利用辐射冷却效应，研发出建筑冷却系统。2019 年 9 月，加州大学洛杉矶分校与斯坦福大学科学家也用相同原理研制出热电设备，通过聚苯乙烯绝缘体、镀铝聚酯树脂薄膜与黑色铝制圆盘，善用材料里外温差，将之转换成电压，新型热电设备每平方米能产生 25 mW 的电力，也能点亮小型的 LED。

利用风能、太阳能等可再生能源技术产生的能源量往往取决于天气条件，而为保证持续稳定的供电方式，科学家正想方设法在大自然中寻找各种靠谱的储能材料和方法。

大规模储能技术研究成为热点

据外媒称，英国大多数核电站均将在本世纪20年代末到期退役；而日本日立公司近日也宣布因建设成本上升将暂停其在英国的核电项目；出于减排等因素考虑，英国政府计划2025年前关闭所有火电厂，这将给整个国家的电力供应留下相当大的缺口。

据介绍，所谓多孔介质压缩空气储能技术(PM-CAES)，其工作原理是利用可再生能源的电力为产生压缩空气的发动机提供动力，将这些空气以高压状态储存在砂岩孔隙里。在能源短缺时，释放出井里的压缩空气，为涡轮发电机提供动力，然后将电力输送到电网。

英国科学家这次对近海盐湖蓄水层进行了多孔岩石储能潜力的预估，利用蒙特卡罗方法计算了在大量多孔岩石的地点上构建电厂的功率输出和效率。研究表明，进行一次PM-CAES存储可以满足两个月所需的空气流量，其往返效率(RT)介于42%至67%之间。此外，该方法地表损耗较小，这将受到土地表面或水资源有限的地区的青睐，同时这项技术在能源需求旺盛的人口密集地区也更具有吸引力。

一种潜在可行季节性存储技术

“建设智能电网和分布式能源系统等，储能系统是其中的关键技术。迄今，大规模(500兆瓦以上)商业应用的电力储能系统，主要是抽水蓄能电站。抽水蓄能虽然借助高低落差地势，利用势能差能够大量储能和发电，但是受限于地理条件和投资建设周期长，还需要开发其他大规模储能技术，尤其是跨季节储能技术。”陈永翀指出，多孔岩石分布较广，这将使PM-CAES技术能够跨季节运行，从而大大加强了其应用的普适性。

根据论文资料，陈永翀分析道，英国研究人员使用数学模型评估这种储能技术的潜力后发现，北海的地质构造可以储存满足英国3个月电力需求的能量，且大量富含多孔岩石的近海盐湖蓄水层靠近风力发电场，这可以在生成和存储之间产生有价值的协同作用。

论文作者之一、爱丁堡大学的朱利安·穆利-卡斯蒂略指出，这种技术有可能在夏季把可再生能源发电储存起来，留待冬季用电高峰时使用。只是这种方法虽然有可行性，但成本相对较高。另外，多孔岩石储能技术仍存在着不少潜在的问题，未来还需更多研究来完善技术，以便把成本降下来，并提高该技术的应用安全性。

奇思妙想探寻“存储”路径

陈永翀指出，实际上，把可再生能源“存”在哪儿，科学家一直在积极 探索 更多的可能性，如海水蓄能、沙漠储能、人工绿叶等，可谓八仙过海，各显神通。

德国弗劳恩霍夫协会风能和能源系统研究所设计出名为海中蓄能(StEnSea)的新思路，将蓄能主体为多个内直径30米的混凝土空心球，置于600—800米深海床上。每个球内都有一台水轮发电机和水泵，当电网负载低、电力多余时，水泵会抽出海水进行蓄能；当电网负载高、需要峰值发电时，这些球体的阀门即会打开，让涌进的海水驱动水轮发电。

研究人员还向绿叶借智慧，效仿自然界的光合作用，即将太阳能转化为化学能，把能量储存在化学键当中，基本上能够实现碳中和的过程，这样通过一定的反应方式吸收环境中的二氧化碳，达到环保和能量储存的目的。同时，提高过程中的转化效率和稳定性，形成获取可再生能源的一种途径。

另外，有的科学家在尝试抽沙储能的方法，通过皮带将沙子运到高位仓，高位沙子对风叶做功，以沙子的形式储存势能，从而提供发电所需要的动能。(华凌

张添奥 闫欣)

最近，西北太平洋国家实验室通过将液态铯集成到纳米元素中，开发了一种全新的电池电极，这使得纳米电池具有高效、安全系数高、使用寿命长等诸多优点。这项新技术是一种类似于太阳能和风能的可再生能源。如果这项技术在未来成功商业化，将极大地推动电动汽车的发展。近年来，许多科研机构加强了对可再生能源的研究，但要有效利用这些能源，还有很长的路要走。其中，科学家们面临的最大问题是如何开发低成本、高承载、灵活的电池来储存这些间歇性产生的能量，即使太阳不再发热，风不再流动，这些能量也能得到很好的保存。PNNL研发的纳米电池使用固体陶瓷电解质膜在正极和负极之间转移钠离子，但目前纳米电池只能在350摄氏度下正常工作，这无疑对团队的安全性、成本和耐用性提出了挑战。随后，研究团队对相关技术进行了改进。通过样机演示，在150℃下可产生420Ah/kg，充电100次循环后仍保持97%的电池容量，而传统的纳米电池在60次循环后会降至70%。

在全球变暖趋势不断加剧，传统化石能源供应日趋紧张的形势下，各国政府在制定能源发展战略时纷纷提出要进一步开发和加大可再生能源的利用比例。但美国科学家的最新研究分析表明，可再生能源也许并不如想象的那样环保，发展可再生能源需要耗费大量的土地资源，最终的代价可能是环境遭到破坏。可再生能源是否是把“双刃剑”再次成为科学家们争论的焦点。 反对者：占地过多侵蚀自然 纽约洛克菲勒大学的杰西·奥索贝尔带领的研究小组在最新出版的《核能管理、经济和生态》杂志上发表论文称，他们对每一种可再生能源所占用的土地资源以及相对应的电力产出进行了考察分析。根据测算，生物质能和风能每生产1瓦或者2瓦电需要占用1平方米土地，要想改变全球能源供应格局，就需要兴建足够多的风电场以及拦河大坝，种植足够多的生物燃料作物，这势必会给自然带来巨大的侵蚀。 以美国为例，如果要满足2005年全美国的电力需求，必须在相当于得克萨斯州面积（约26.7万平方公里）大小的地方安装风力发电设施，并保持昼夜不停运转，才能保证供应。而纽约市所有的电力设备要想正常工作，也需要一个面积相当于康涅狄格州（约1.3万平方公里）的巨大风力发电场。 赞成者：所需土地其实有限 有些科学家则不认同奥索贝尔的分析结论，认为他采用能源密度（即每单位土地上的能源产出）作为唯一的衡量标准有失偏颇，不能够全面估算可再生能源对环境产生的影响。 美国国家可再生能源实验室主任研究员约翰·特纳表示，利用能源密度作为评估标准，不足以涵盖各种不同可再生能源的发展潜力。他说，如果用转换效率为10%的太阳能电池来为整个美国提供电力保障，那么只需要在亚利桑那州或者内华达州这种阳光充沛的地方安装1万平方英里（约合2.6万平方公里）的太阳能板就足够了，而整个美国大陆面积有370万平方英里，占用的土地面积不过是九牛一毛。而且，这仅仅只是采用了其中一种可再生能源技术。 是否环保：思路不同结论迥异 根据奥索贝尔的分析报告，如果美国以生物质能作为主要能源，那么爱荷华州965平方英里（约合2500平方公里）的可耕地都将被占用。如果利用太阳能，仅太阳能面板覆盖的土地面积就达到58平方英里（约合150平方公里），此外还要考虑兴建配套的储存工厂所占用的土地。因此他认为，太阳能和生物质能等可再生能源是“不环保的”。 对此，特纳表示，完全不必要在新的土地上建太阳能工厂，只需在现有建筑或房屋的屋顶上支起太阳能板，就能够满足全美国年电力需求的25%%。至于占地面积很大的风力发电场，实际上有95%%的地面是闲置的，可以合理利用土地，用来耕种农作物。 未来趋势：核能也是绿色能源？ 奥索贝尔认为，核能具有排放污染小的优势，是未来能源发展与利用的方向。他解释说，强调环保理念的能源政策有三大支柱，一是增进能源效率，二是利用碳捕获和封存技术，逐渐加大对天然气的依赖，第三就是发展核能。 特纳也赞同核能的发展潜力，但他提醒，核废料的处理不容忽视，应该在确保安全的前提下逐步推广。

核能不是可再生能源。尤其是现在我们已经使用核裂变能源，核裂变的元素是不可再生的。热核聚变能源可以说是近乎“可再生”的能源，为什么这样说呢，核聚变元素氢3来源于太阳，目前的地球上的氢3基本上是一个动态的平衡，这个同位素的半衰期大约是12.3年，由于衰变，和太阳风带来的量处于平衡状态。如果能够去使用的话，几乎对自然界中的氢3没有显著性的影响，所以可以称为“可再生” 能源，它的再生就是来源于太阳风的传送。

地球的资源是有限的，如果不加节制地使用，肯定有用完的一天。但是随着科学的发展，人们开始意识到资源的缺乏，我们相信，科学家们会在宇宙发现更多资源，放心吧！人类不会那么容易就灭亡的。

地球资源肯定会有一天会被用光的，你想像一下，就把地球比喻成一个比喻成一棵树吧，把人比喻成会吃树的小虫（就像蚂蚁那么大就可以），树从树苗到中年在到参天大树，从一开始树上就有小虫随着树的长大虫也在不段增加。导致树长的速度没有虫长的快。就这样一棵参天大树竟然被那么小的虫给吃了！！！设想一下人不段增多年复一年总有一天会被用光的。

地球资源有分可再生能源和不可再生能源

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。相对于可能穷尽的化石能源来说，可再生能源在自然界中可以循环再生。可再生能源属于能源开发利用过程中的一次能源。可再生能源不包含化石燃料和核能。

不可再生能源泛指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，又叫“非可再生能源”。如煤和石油都是古生物的遗体被掩压在地下深层中，经过漫长的演化而形成的(故也称为“化石燃料”)，一旦被燃烧耗用后，不可能在数百年乃至数万年内再生，因而属于“不可再生能源”。除此之外，不可再生能源还有，煤、石油、天然气、核能、油页岩。