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杨孝文的博客

 
 
 

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电池的前世与今生:充电时间以秒计算  

2010-08-27 08:28:00|  分类: 羊屎蛋鈥斺斘业墓 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    动车组在跑着,我的笔记本在开着,心却悬着----眼看着电池一格格消退,再过一个小时,两个小时,电量将耗尽,笔记本将十分霸道地径自关闭。如果动车组上没有电源插座,我指定歇菜,只能到酒店里才能插。很多人就是在酒店里插的。

    很无奈,但这就是电池,谁让你不备上一块两块甚至三块电池呢!科学如此发达,为何连电池这一关都过不了,让孝文如此烦闷?其实,正如我即将前去查看的东北虎,只要没有灭绝,就有希望。电池也是如此。我期待着将来有一天出行,不再为电池发愁。

    如今,电子设备的功能比以前任何时候都先进,然而,驱动这些电子设备运行的电池却仍在使用200年前的技术,这种缺点正开始显现。为了消除电池对电子设备发展的制约,科学家正在开发“空气燃料”电池和充电时间以秒计算的高速充电电池。
    科技正以日新月异的速度急速发展,有时我们很难跟上这种发展速度,电池就是一个典型例证。在一个连接无处不在的社会,它们每天24小时都保持运转。正是电池的这种伟大付出,令我们的触摸屏可以发光,笔记本电脑嗡嗡作响,手机的铃声响起,但在追赶其驱动的设备的竞争中,电池则常常败下阵来。用户总会说:“请稍等,我的手机快没电了。”
    10年前,手机一星期才充一次电,虽然它们不能查看足球比赛结果,拍摄视频,与韩国玩家一起打游戏。这些活动无一不在消耗电量。技术取得了突飞猛进的发展,处理器性能更好,储存能力更强,硬盘空间更大。然而,唯一渐进式改进的东西是电池。它们是制约技术发展的最大因素之一。”
    苹果近期又将推出一系列最新产品。用户估计又会产生这样的疑问:功能怎样?卖多少钱?电池寿命又如何?随着电动车正悄悄推动市场对电池驱动发动机的需要,对电池的需求同样也会上升。这样一来,又有两个问题出现:为何电池必须竭力追赶技术潮流?为了实现这个目标,世界上的技术人员又能做什么?
    45年前,至少对大多数人来说,他们还对芯片一无所知。一个名叫戈登·摩尔的男子写道,集成电路上可容纳的晶体管数目,大约每隔两年便会增加一倍。三年以后,摩尔创办了英特尔,这家公司的电脑芯片几乎完全按照摩尔预测的速度发展,至今如此。今天,英特尔一款微处理器上集成了超过十亿个晶体管。
    这个被称为“摩尔定律”的规律正以指数式增长推动一场数字革命——你在电路上集成的晶体管越多,芯片的价格在保持低廉的同时,运行速度越快、功能越强大。然而,令那些电路保持运转的电池却似乎是这场数字革命的“局外人”,仍旧严格遵循200多年前科学家提出的基本原理运行。
    18世纪80年代,意大利物理学家路易吉·加尔瓦尼发现,一旦与两个金属片接触,死青蛙的小腿会发生抽搐现象。加尔瓦尼由此制作了简单的电路。这个现象被他的好友、物理学教授亚历山德罗·沃尔塔(Alessandro Volta)领会。沃尔塔的伏打电堆将实验用的青蛙换成浸泡卤水的纸和一块块金属,并叠加成一个伏打电堆,最终发明了世界上第一个现代电池。
    根据最简单的定义,电池就是一种能将储存起来的化学能转化为电能的设备。化学反应发生在一系列具有正电极和负电极的电池内,而正电极和负电极被传导性电解液分离。当接通电池,阳离子从负电极“游向”正电极,促使阴离子驱动手电筒的电灯泡或iPhone手机屏幕。这是一种化学过程,在某种程度上,你不能改变这种特性。尽管电脑的运行速度以每两年增长一倍,但电池的能量密度在大约100年内只比原来增长了5倍。如果想要储存更多的能量,你必须开发新材料,提出新概念,不仅仅是让同样的东西变小。
    同许多科学家一样,一位名叫布鲁斯的科学家也在寻求从现代电池中发掘更多能量。他不仅从沃尔塔实验中汲取经验,还借鉴斯坦·惠廷厄姆(Stan Whittingham)的研究。惠廷厄姆是出生于英国的美国化学家,20世纪60年代曾在牛津大学深造,20世纪70年代,他发明了几乎能为所有电子设备供电的现代充电电池。在供职于石油巨头埃克森的研发部门时,惠廷厄姆发现,锂元素极其优良的蓄能性令其成为制造充电电池的理想材料。
    惠廷厄姆表示:“锂离子电池可存储相当于铅蓄电池五倍的能量。这令许多人激动不已,因为它的确是一个改变现有技术的创意。若没有锂离子电池,或许就没有今天的iPod播放器或手机。它们给予我们许多,当然,人们还想得到更多。”他目前是纽约州立大学宾汉姆顿分校化学系教授。
    布鲁斯以其“空气燃料”充电锂电池直面挑战。简而言之,Stair电池(即圣安德鲁斯空气电池)将空气而非昂贵的化学物作为电池中的反应物。通过释放和利用空间,这种电池可以在降低成本的同时,将能量储存至更少的空间。布鲁斯说:“我们将空气应用于电池,可以使蓄能量最高增加十倍。这确实令人激动不已,因为就现阶段的技术水平,很难将锂离子电池的蓄能量增加超过两倍。”
    一旦电池的蓄能量是以前的十倍,那么我们又能按周而不是按天给电池手机充电了。与此同时,一些科学家则在致力于解决现代电池的另一个重大难题——充电时间。美国麻省理工学院的格布兰德·塞达尔博士一直在寻求改善锂离子在电池中的活动方式——锂离子“游动”越快,给电池充电的速度就越快。
    塞达尔的研究团队通过改变锂离子在电池中的运转方式,令其通道更顺畅,并观察锂离子高速运行情况。据塞达尔估计,采用这种方法制造的电池充电时间是以秒而不是以小时甚至分钟计算。他说:“如果我们可以将充电时间从两小时减少至一小时,你可能仍需要在晚上给电池充电。可如果将充电时间减少至一分钟,你站在旁边等一会儿就好了——这不过是给汽车加油或喝杯咖啡的工夫。”
    塞达尔还与另一个研究小组建立了合作关系。这个小组利用转基因病毒制造锂离子电池的正电极和负电极。新电池比现有技术更柔韧、更有效,不过,与麻省理工学院快速充电电池和布鲁斯的圣安德鲁斯空气电池一样,它们一定程度上还只是存在于实验室的图纸上。这是对现代电池技术效力和开发人员所面临挑战的一次检验,正如惠廷厄姆所说:“未来五年至少还是锂电池的时代。”
    与此同时,制造商也将纷纷推出节能屏幕和硬件,降低对电池的需要。虽然电池的变革一定程度上取决于未来的重大突破,但是,新型电池给新一代电子装置和汽车提供能量其实只是时间问题。对于那些受手机充电器束缚的人来说,他们还要保持足够的耐心。
 生活小窍门:如何增强电池性能
 保持清洁
 节能说到底还是围绕效率展开,要是笔记本电脑中的排风扇总是超时工作,麻烦就会来临。如果电脑的排气孔塞满饼干碎末,电池在关键时刻掉链子,这时一定不要吃惊。
 少用应用程序
 由于手机可以让你玩游戏,找到最近的必胜客,你定会觉得自己的生活几乎离不开手机了。问题是,手机应用程序会大量消耗电量。这同样适用于笔记本电脑。请记住,尽量少用应用程序,同时激活一切可以节能的设置。
 飞行模式
 寻找和锁定移动网络对手机来说是件困难的事情。如果手机没有信号或信号不好,请切换至飞行模式。在数据覆盖有问题的地方关闭3G功能同样可以省电。
 休眠模式
 手机在处于休眠模式时会消耗更少的电量,这其实并不奇怪。一定要习惯于让手机处于休眠状态,如果可以的话,尽量将手机切换至休眠模式。
 屏幕调暗
 如果给手机和笔记本电脑上越来越大的屏幕供电,即便是高科技电池,也会疲于应付。有些屏幕占到设备耗电量的三分之一以上,所以,将屏幕调暗会增加电池的使用寿命。
 清理硬盘数据
 如果塞满了数据,硬盘的性能会迅速下降,从而需要更多电量才能维持运行。建议使用磁盘清理程序清理硬盘空间,改善性能和电池寿命。
 调换模式
 几乎所有的智能手机应用程序看上去“都喜欢使用当前位置”。虽然这种选项用处很大,但手机中的GPS接收器需要大量消耗电量,所以考虑调成“no thanks”选项。同时,尽量减少对地图应用程序的使用。
 经常使用
 在电池中不停“游动”的电子喜欢“受重视”的感觉,所以,要向它们展现一丝爱怜。应经常使用电池,至少每个月给它充满一次电。将电池扔在抽屉里不用,既会令其“不高兴”,也会令性能下降。(杨孝文)

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