不仅仅是储存电力 科学家开发出两用可充电电池

不仅仅是储存电力科学家开发出两用可充电电池可充电电池将电能储存在电极材料中，而氧化还原液流电池则使用储存在连接电极的储液罐中的化学物质。科学家们最近设计出了一种混合电池系统，它不仅能储存和提供电能，还能在流动系统中生成有用的化学物质。在使用过程中，糠醛-氢氧化镍电池可将生物质来源的糠醛转化为糠醇或糠酸。糠醛是一种由农业生物质中常见的戊糖形成的小分子，被认为是一种重要的平台化学品，可以从中获得多种中间体，用于各种用途。它可以被氧化成糠醛酸，糠醛酸是一种食品防腐剂，也是合成药物和香料的中间体。糠醛还原后可转化为糠醇，是树脂、香料和药物的前体。段浩宏和来自中国北京清华大学的研究团队现已成功地在混合液流电池的运行过程中获得了这两种增值化学品，从而提高了电池系统的成本效益。标准的可充电电池在充电时将电能储存在电极中，并在放电时将电能输入电路。另一种电池类型是氧化还原液流电池，它将电能储存在化学物质中，化学产物在两种状态之间循环，并留在电池中。结合这两个概念，研究人员调查了这种电池在储存或提供能量的同时能够产生额外化学物质的程度。突破性进展是阳极的双功能金属催化剂。这种催化剂由铑-铜单原子合金制成，在电池充电时能顺利地将电解液中的糠醛转化为糠醇，而在电池放电时则形成糠酸。在阴极方面，研究人员发现了一种掺钴氢氧化镍材料，类似于传统镍锌电池或镍氢电池中使用的阴极材料。这种电池组件形成了一个真正的两用电池系统：在充电（使用太阳能电池）后，四个串联的混合电池能够运行各种设备，包括LED灯和智能手机，同时在电池循环过程中不断产生糠醇和糠酸，这些化学物质通过一个流动系统被带走。作者发现，这种新型混合电池在能量密度和功率密度方面可与一些普通电池相媲美，但它能同时提供电能和增值化学品。在储存1千瓦时能量的同时，可生产0.7千克糠醇，而当系统提供0.5千瓦时的能量时（一台冰箱可在此能量下运行几个小时），可生产1千克糠酸。不过，糠醛会不断进入系统，必须将产品与电解液分离。该团队的混合概念朝着提高可充电电池的可持续性和成本效益迈出了一步，但仍需进一步发展这一概念。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380745.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380745.htm

可食用电池、传感器和致动器让可食用机器人变为可能

可食用电池、传感器和致动器让可食用机器人变为可能EPFL智能系统实验室（LIS）主任达里奥-弗洛雷诺（DarioFloreano）说："将机器人和食物结合在一起是一项引人入胜的挑战。"他是最近发表的一篇观点文章的主要作者，这篇文章探讨了我们离可食用机器人的现实还有多远。"我们仍在摸索哪些可食用材料的工作原理与非可食用材料类似"。乍一看，食物和机器人似乎是科学领域的对立面。但是，根据文章作者的观点，可食用机器人并不仅仅是你花高价在高档餐厅的盘子上看到的新奇事物。它们在人类健康和营养、野生动物保护和动物福利以及环境等领域有着广泛的潜在应用。可食用机器人潜力巨大，2021年，弗洛雷亚诺与荷兰瓦赫宁根大学的雷姆科-布姆（RemkoBoom）、英国布里斯托尔大学的乔纳森-罗西特（JonathanRossiter）和意大利理工学院的马里奥-凯罗尼（MarioCaironi）共同发起了机器人食品项目，并获得了欧盟为期四年、总计350万欧元（375万美元）的资金支持。非食用（灰色）和食用（彩色）材料在弹性和密度方面的比较根据RoboFood网站的介绍，该项目的"总体目标"是"为开发真正的可食用机器人和机器人食品奠定科学和技术基础"。为此，让我们来看看可食用机器人的发展时间表，就像大多数与科技相关的事物一样，可食用机器人的发展也是日新月异。2017年，EPFL的科学家们用两个完全可食用的致动器制造出了一个能够搬运苹果的机械手。这些致动器本身由明胶-甘油材料制成，具有类似硅树脂弹性体的机械特性。2022年，EPFL和瓦赫宁根的科学家设计出一种固定翼无人机，机翼由膨化年糕和明胶粘合而成。当然，只有无人机的机翼是可食用的，但它的飞行速度为每秒33英尺（10米），可携带自身质量50%的可食用载荷。2023年，印度理工学院的研究人员用核黄素（维生素B2）做阳极，用槲皮素（一种存在于红洋葱、辣椒和羽衣甘蓝中的促进健康的天然色素）做阴极，制造出了一种可食用的充电电池。活性炭提高了导电性，而紫菜--通常包裹在寿司卷上的那种东西--则用来防止短路。电池用蜂蜡包装，工作电压为0.65伏，仍然是摄入时的安全电压；两个电池串联起来，可以为一个LED供电约10分钟。2024年，来自布里斯顿大学、印度理工学院和洛桑联邦理工学院的科学家们创造了首个基于电子传导的可食用应变传感器。关键在于一种新型导电墨水，它是活性炭、哈瑞博小熊软糖和水乙醇混合物的组合。当油墨喷洒在可食用的基底上时，两者都可以被吃掉。可食用部件、可食用机器人和机器人食物的例子。对于机器人食物，括号内标明的是输入刺激物RoboFood团队成员、该视角论文的共同作者之一BokeonKwak说："关于致动器、传感器和电池等单一可食用部件的研究很多。但最大的技术挑战是将使用电力来运作的部件（如电池和传感器）与使用液体和压力来移动的部件（如致动器）组合在一起。"研究人员在论文中阐述了目前实现可食用机器人所面临的挑战。现有的可食用致动器和电池在功率、耐久性和可靠性方面仍然低于非可食用的同类产品，或者它们需要使用非可食用的部件。另一个挑战是，虽然许多可食用部件是由我们通常食用的东西制成的，但还需要进一步研究它们与消化系统的相互作用。此外，还有微型化问题，要使机器人足够小，成为一个可吞咽的整体。最后，可食用机器人最终必须达到某种目的。那么，研究人员预计它们能达到什么目的呢？他们在论文中给出的例子包括：分析消化道并精确输送药物、通过食道清除食物堵塞物、为人类和动物提供营养、保护野生动物和驯养动物的健康--包括注射疫苗、环境监测，当然还有提供新奇的烹饪体验。由于可食用机器人也是可生物降解的，因此比其他替代品更环保。洛桑联邦理工学院（EPFL）和印度理工学院（IIT）的科学家们用气动明胶腿和可食用的倾斜传感器制造出了这种部分可食用的滚动机器人EPFL一个重要的问题需要答案：人们对吃机器人会有什么反应？2024年的一项研究给出了一些答案。研究人员给参与者提供了由糖和明胶制成的机器人--一个会动，一个不会动--并测量了他们的感知和味觉体验。他们发现，移动的机器人被视为"生物"，而静止的机器人则是"食物"。不过，移动的机器人味道更鲜美。移动的机器人经常被描述为"甜的"，参与者还提到了"苹果"等特定的味道，而不动的机器人则被描述为其组成成分，这表明参与者认为移动和不动的机器人是由不同的材料制成的。此外，在咀嚼移动机器人时，参与者描述的质感与机器人不动时明显不同。研究人员提出的一种可能的解释是，当机器人移动时，参与者认为机器人具有生命力；它更"有活力"。这篇论文的作者还没有推测我们何时能在盘子里看到可食用的机器人。虽然上述技术障碍仍需克服，但鉴于技术发展的突飞猛进，我们可能无需等待太久。文章发表在《自然-材料评论》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435042.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435042.htm

螃蟹让一组科学家在廉价可充电电池设计中占了先机

螃蟹让一组科学家在廉价可充电电池设计中占了先机但是科学家们现在发现，将贝壳废料升级为硬碳可能能够形成钠基充电电池的电力电路的一个关键部分，这是目前锂技术的一个可持续替代方案。研究人员发现，从贝壳中生产硬碳有可能作为钠离子电池的阳极发挥作用。通过将贝壳加热到超过1000°F（538℃）的温度，他们将贝壳变成了碳，并将其加入硫化锡（SnS2）或硫化铁（FeS2）的溶液中。这形成了一个可行的钠离子阳极，或电池的正电极。钠离子电池（SIBs）是一种新兴技术，是锂离子电池（LIBs）的可持续替代品。虽然在化学上与锂相似，但钠离子更大，需要一个不同于通常由石墨制成的阳极。这就是陈云、赵越、刘宏斌和马廷立的团队在螃蟹身上发现的一种兼容的替代品。螃蟹的碳提供了一种多孔、纤维状和大表面积的阳极，增强了导电性和运输钠离子的能力。而且该团队发现，在其模型电池中，锡和铁的复合材料都有不错的充电能力，至少有200个循环。虽然它不属于锂电池领域，但它是朝着更可持续的电池技术迈出的积极一步。去年，世界经济论坛揭示了围绕开采锂的持续可行性的许多问题，预测这种有限的资源最早在2025年就会出现短缺。这个问题因其对环境的影响而变得更加复杂，因为锂的提取需要高昂的水费，而世界上最大的矿物来源地--澳大利亚和南美--也都位于易发生干旱的地区。随着电动车电池技术的使用推动了巨大的需求，开发新的可持续替代品的竞赛正在进行。位于内华达州的Albemarle银峰矿是美国唯一的锂生产商，仅占全球市场的1%。这项研究是在科学家们发现从甲壳素中提取的凝胶电解质可以帮助为锌电池提供动力的六个月后进行的，证明它更具有可持续性，而且没有像目前锂电池离子传输电解质溶液中的腐蚀性和易燃性化学品。早些时候，甲壳素和壳聚糖在自愈油漆、生物技术晶体管、塑料替代品、流感病毒过滤器和抗病毒药物中发挥了关键作用。另一方面，科学家们也在努力寻找替代方案，以解决从马蹄蟹血液中获取Limulusamebocytelysate（LAL）的问题，40多年来，LAL一直是开发安全疫苗和其他注射剂的一个组成部分。蟹碳可以完全从副产品中产生，该团队认为这对动物种群的影响最小，此外，远离锂还有更广泛的环境效益。随着锂原料成本的上升，这也是一个更经济的替代方案。作者指出："这项研究提供了一个有效的途径，利用低成本的废弃原材料来建造高特异性能的钠离子电池。"该研究发表在ACSOmega杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349307.htm

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池美国西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物驱动的燃料电池，其性能大大优于同类技术，并为低能耗设备提供了一种可持续的供电解决方案。燃料电池的3D打印帽露出地面。盖子可以防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。图片来源：BillYen/西北大学为了测试这种新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和探测触摸的传感器供电，这种能力对于追踪路过的动物非常有价值。为了实现无线通信，研究人员还为土壤供电传感器配备了一个微型天线，通过反射现有的无线电频率信号将数据传输到邻近的基站。这种燃料电池不仅能在潮湿和干燥的条件下工作，而且其功率比同类技术高出120%。这项研究成果将于今天（1月12日）发表在《交互、移动、可穿戴和泛在技术计算机械协会论文集》（ProceedingsoftheAssociationforComputingMachineryonInteractive,Mobile,Wearable,andUbiquitousTechnologies）上。研究报告的作者还将向公众发布所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用并在此基础上开展研究。"物联网（IoT）中的设备数量在不断增长，"领导这项工作的西北大学校友比尔-颜（BillYen）说。"如果我们想象未来会有数万亿台这样的设备，我们就不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池，它利用特殊微生物分解土壤，并利用低能量为传感器供电。只要土壤中有供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去"。该研究的主要作者比尔-颜（BillYen）在西北大学实验室测试时埋入燃料电池。资料来源：美国西北大学西北大学的GeorgeWells是这项研究的资深作者，他说："这些微生物无处不在，它们已经生活在各处的土壤中。我们可以使用非常简单的工程系统来捕捉它们的电力。我们不会用这种能量为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量，为实用的低功率应用提供燃料。"威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系副教授。Yen现在是斯坦福大学的博士生，当他还是Wells实验室的一名本科生研究员时，就开始了这个项目。近年来，全球越来越多的农民采用精准农业作为提高作物产量的策略。这种技术驱动的方法依靠精确测量土壤中的水分、养分和污染物含量，从而做出提高作物健康水平的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。Yen说："如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，你只能在传感器上安装电池或收集太阳能。太阳能电池板在肮脏的环境中无法正常工作，因为它们会被灰尘覆盖，在太阳不出来的时候无法工作，而且会占用很大的空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电力。农民不会绕着100英亩的农场定期更换电池或清除太阳能电池板上的灰尘。"为了克服这些挑战，威尔斯、Yen和他们的合作者想知道，他们是否可以从现有环境中获取能量，也就是从农民正在监测的土壤中获取能量。基于土壤的微生物燃料电池（MFC）于1911年首次出现，其工作原理与电池类似--具有阳极、阴极和电解质。但MFC并不使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电能，这些细菌会自然地向附近的导体提供电子。当这些电子从阳极流向阴极时，就形成了一个电路。燃料电池从地下取出进行研究后，被泥土覆盖。图片来源：BillYen/西北大学但是，为了让微生物燃料电池不受干扰地运行，它们需要保持水分和氧气，而这在埋于地下的干燥泥土中是很难做到的。Yen说："虽然MFC作为一种概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了人们对其进行实际应用，尤其是在低湿度条件下。"考虑到这些挑战，Yen和他的团队开始了为期两年的开发实用、可靠的基于土壤的MFC的旅程。他的考察包括创建和比较四种不同的版本。首先，研究人员对每种设计的性能进行了长达九个月的数据收集。然后，他们在室外花园测试了最终版本。性能最好的原型既能在干燥条件下工作，也能在水浸环境下工作。其成功的秘诀是它的几何形状。获胜的燃料电池没有采用阳极和阴极相互平行的传统设计，而是采用了垂直设计。阳极由碳毡（一种廉价、丰富的导体，可捕捉微生物的电子）制成，与地表水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直置于阳极之上。虽然整个装置是埋在地下的，但垂直设计确保了上端与地表齐平。设备顶部有一个3D打印的盖子，以防止碎片掉落。顶部的小孔和阴极旁的空气室可以保证稳定的气流。阴极的下端一直深埋在地表之下，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使地表土壤在阳光下变干也是如此。研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，使其在洪水中能够呼吸。而且，在可能发生的洪水过后，垂直设计还能使阴极逐渐变干，而不是一下子变干。平均而言，由此产生的燃料电池所产生的电量是传感器运行所需电量的68倍。它还足够坚固耐用，能够承受土壤水分的巨大变化--从略微干燥（体积含水量为41%）到完全浸入水中。研究人员说，他们的土基MFC的所有组件都可以在当地五金店买到。下一步，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土基MFC。这两种设计都绕过了复杂的供应链，避免了使用冲突矿产。"通过COVID-19大流行，我们都熟悉了危机是如何扰乱全球电子产品供应链的，"该研究的合著者、前西北大学教师、现就职于佐治亚理工学院的乔赛亚-赫斯特（JosiahHester）说。"我们希望制造出使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能获得计算能力"。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415961.htm

科学家开发出需要稀有材料更少的电池 充电更快、寿命更长

科学家开发出需要稀有材料更少的电池充电更快、寿命更长研究人员通过开发快速充电功能和使用有机材料增强负极，减少了对稀有非欧洲材料的依赖，从而推动了纳离子电池技术的发展。此外，他们还改进了阴极，创造出一种高能量、快速充电、无钴的材料，这种材料在使用过程中会逐渐发生结构变化，因此寿命更长。资料来源：代尔夫特理工大学这些电极可由有机材料制成，这减少了对并非来自欧洲的稀有材料的依赖，优点在于阴极也得到了改进。代尔夫特的研究人员还改进了另一面，并发表了相关文章。这项研究最近发表在《自然-可持续性》杂志上。《用于钠离子电池的快充高压分层阴极》详细介绍了一种新型正极的开发情况，其设计原理源自他们于2020年发表在《科学》杂志上的论文。根据这些设计原则，我们设计了一种材料，它结合了两种可能的最佳结构：高能量密度与快速充电。此外，这种材料在充电和放电过程中会逐渐改变其结构，从而延长其使用寿命。此外，这种材料不含钴，而钴在锂离子阴极中仍然很常见。由于对这些电池材料的了解不断加深，第三个增长基金项目"可持续电池技术"的下一步工作已经准备就绪。在该项目中，除了锂离子电池研究外，还将在全国范围内开展纳离子电池研究。电池研究将进一步扩大，使这项技术能够应用于各国市场。参考文献：DOI:10.1038/s41893-024-01266-1编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421389.htm

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质锂离子电池（LIB）为智能手机和平板电脑提供电力，驱动电动汽车，并在发电厂储存电力。大多数锂离子电池的主要成分是锂钴氧化物（LCO）阴极、石墨阳极以及为阴极和阳极的解耦反应提供移动离子的液态电解质。这些电解质决定了电极上形成的相间层的性质，从而影响电池循环性能等特性。然而，商用电解质大多仍基于30多年前配制的系统：1.0至1.2摩尔/升六氟磷酸锂（LiPF6）在羧酸酯（"碳酸溶剂"）中的溶液。在过去的十年中，高浓度电解质（>3mol/L）得到了发展，它们有利于形成坚固的无机主导相间层，从而提高了电池性能。然而，这些电解质粘度高、润湿能力差、导电性差。由于需要大量的锂盐，这些电解质的价格也非常昂贵，而这往往是影响可行性的一个关键参数。为了降低成本，超低浓度电解质（<0.3mol/L）的研究也已开始。这些电解质的缺点是，电池电池分解的溶剂多于少量的盐阴离子，从而导致有机物占主导地位，相间层的稳定性较差。由宁波大学（中国）和波多黎各大学里奥皮德拉斯校区（美国）的袁金良、夏岚和吴先勇领导的研究小组现已开发出一种超低浓度电解质，可能适用于锂离子电池的实际应用：LiDFOB/EC-DMC。LiDFOB（二氟草酸硼酸锂）是一种常见的添加剂，价格比LiPF6便宜得多。EC-DMC（碳酸乙酯/碳酸二甲酯）是一种商用碳酸酯溶剂。这种电解液的含盐量低至2重量百分比（0.16摩尔/升），但离子电导率却高达4.6mS/cm，足以使电池正常工作。此外，DFOB-阴离子的特性还能在LCO和石墨电极上形成以无机物为主的坚固相间层，从而在半电池和全电池中实现出色的循环稳定性。目前使用的LiPF6会在潮湿环境中分解，释放出剧毒和腐蚀性的氟化氢气体（HF），而LiDFOB则对水和空气稳定。使用LiDFOB的LIB不需要严格的干燥室条件，而可以在环境条件下制造，这又是一个节约成本的特点。此外，回收问题也会大大减少，从而提高可持续性。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428465.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428465.htm