电池终结者

作者: 奥秘精灵;小好问;小粗心;小灵通

关主:奥秘精灵 闯关小先锋:小好问 小粗心 小灵通

小灵通说:“听说美国麻省理工学院研究人员设计发明了一种叫碳纳米管超级电容的东西,它和一节电池所存储的能量相同,几秒钟内就可完成充电,而且它几乎永不损耗。”

小好问:“真的吗?那可比电池方便多了。”

小粗心:“估计电池很快就会被淘汰咯。”

看到小先锋们讨论得起劲,奥秘精灵便建议将今天的探索目标锁定在这项新发明上。

于是,大家踏上了新的闯关之旅。

第一关 名字猜想

碳纳米管这个词你们以前听说过吗?碳纳米管有着许多奇特的性质,它现在可是纳米材料研究的新热点。不如,咱们先分析分析这个名字吧。

小好问说出自己的见解:“听名字就知道是由碳元素构成的嘛,而且既然叫纳米管,那肯定是很小很小的。”

小灵通说:“碳元素有很多同素异形体,像石墨、金刚石等。虽然都是同一种元素,但由于构成结构不同,其性质、外观可是差个十万八千里。碳纳米管是跟石墨类似的结构。”

小粗心选择了最后发言:“他们把我知道的都说完了。”

【关主释答】

小好问和小灵通说得都没错,小粗心下次可要踊跃回答问题,不要再让他们抢先了。碳纳米管是一种奇异分子,是由碳元素构成的一个中空管状结构,直径在几纳米至几十纳米之间,细到5万根并排起来才有一根头发丝宽;长度可达数微米(一微米等于一千分之一毫米),尽管碳纳米管在理论上可长到几千米不断,但人们至今制备的碳纳米管,最长也只有一两百微米。自1 9 9 1年被日本科学家反岛澄男发现以来,碳纳米管以其独特的结构和奇特的物理化学特征,引起世界上许多科学家的关注。它有着不可思议的强度与韧性,重量却极轻,导电性极强,兼有金属和半导体的性能;把纳米管组合起来,比同样大的钢强度高100倍,重量却只有其六分之一。

第二关 才艺比拼

作为一种普通的电子元件,电容与电阻和晶体管一样,是电路的基本组件。从个人电脑到移动电话,再到汽车等,它的应用无所不在。同样作为储存能量的装置,你们了解电容和电池的区别吗?

小灵通最先回答:“它们的工作原理应该不同。超级电容在几秒钟内就能完成充电,可是电池充电却要好几个小时。”

小粗心抢着说:“我知道,我知道。我爸爸以前告诉过我。电容是物理原理,而电池则是化学反应。”

小好问:“电容可以在交流、直流电路中使用,而电池释放的电能是通过直流电方式。”

【关主释答】

太棒了,这次大家的回答都是正确的,以后也要多注意积累各种各样的知识哦。所谓电容,就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是利用带电粒子的聚集存储电能,为暂时性存储,对电容充电实际就是电能存储的过程,放电正好相反。

起初,电容与电池的作用是一样的:像个能量库,能够存储或释放电流。但它们的相似点仅止于此。事实上,它们的作用是互补的。1745年发现的电容原理其实非常简单:在绝缘空间相隔的两块金属片,一旦被施以电压,就会从能导电的化合物(即电解质)中捕捉离子(即带电粒子)。两块金属片能分别吸引正负离子,从而完成能量积蓄,这是一个完完全全的物理过程。电容内金属片表面积越大,间距越近,能够吸引的离子也越多,容纳的能量自然也就越大。而在电池内部,恰恰相反,电流是由电解质的离子与电极物质所发生的化学反应产生的。这便导致了电容与电池在性能上的巨大差异。

第三关 用途预测

超级电容与电池相比有着明显的优势,但目前来说电池还是处于垄断地位。你们觉得将来超级电容能在哪些领域一展所长呢?

小粗心:“用来代替汽车电池是个不错的想法,全世界有那么多的汽车呢。”

小好问:“还可以用在手机上。妈妈每次都抱怨手机充电时间太长了,用超级电容几秒钟就能解决问题了。”

小灵通:“目前使用电池的领域,将来都能用超级电容代替啊,既节能又环保,一举两得。”

【关主释答】

没错,超级电容可以说就是电池的终结者。除了之前说到的优势,超级电容还可以在极冷的条件下作业,而电池内的化学反应在低温下会变得低效。电池内的化学反应也会产生有害的副产品(比如汽车电池中的硫化铅),这些物质会不断累积,使得电池在充电、放电几百个周期后便会报废,而电容则可以循环使用达几十万个周期。

如此多的优点令电容颇受汽车工业的欢迎,特别是它的可靠性和它能够迅速满足巨大能量需求的特点(几秒内释放几千瓦的能量),尤其适宜为智能自动驾驶、刹车后能量重蓄,以及车载音响设备供电。

超级电容的发明者说将碳纳米管运用到电容中,能够达到与相同大小的电池具有同等的能量。为了完成这个构造,科学家们采用往金属“纳米籽”上喷洒碳蒸汽的技术,这样碳纳米管便会从这些“纳米籽”上面“长出来”。这个目标现在已顺利完成。接下来的任务就是要完成一个实用的样品,并且证明这种构造的性能确实能够达到预期水平。随后便是向大规模工业化生产过渡,这可能需要好几年的时间。