基于高效热电波装置的可持续电源

在这组延时拍摄的照片中，从上到下依次是，在由碳纳米管制成的电线上的蔗糖（普通糖）涂层的左端着火，并从一端燃烧到另一端。当它加热电线时，它会驱动电子波，从而将热量转化为电能。

麻省理工学院的工程师已经开发出一种替代系统来发电，该系统利用热量并且不使用任何金属或有毒材料。

从智能手机，计算机到电动汽车，为现代生活中无处不在的设备供电的电池主要由有毒材料（例如锂）制成，这些锂很难处理且全球供应有限。现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种替代性的发电系统，该系统利用热量并且不使用任何金属或有毒物质。

新方法基于麻省理工学院化学工程学的Carbon P. Dubbs教授Michael Strano和他的同事们于2010年宣布的一项发现：当一根碳纤维的细小圆柱体从一端逐渐加热到另一端时，它会产生电流，例如，将可燃材料涂上一层然后点燃一端，使其像保险丝一样燃烧。

这个发现代表了一个以前未知的现象，但是当时的实验在简单的实验室设置中仅产生了极少量的电流。现在，斯特拉诺和他的团队已将处理效率提高了1000倍以上，并生产出的设备可以在与当今最好的电池所能产生的功率相同的范围内输出一磅一磅的功率。但是，研究人员警告说，将这一概念发展为可商业化的产品可能需要花费数年的时间。

这项新结果发表在《能源与环境科学》杂志上，由Strano，博士生Sayalee Mahajan博士’15和Albert Liu以及其他五位研究人员在论文中发表。

追赶潮流

斯特拉诺说：“以前从未研究过这种现象，这确实很了不起。”他的团队在该项目上的大部分工作不仅集中在提高过程效率上，而且还“发展了这些事物如何工作的理论”。他说，最新的实验显示了理论与实验结果之间的良好一致性，为潜在机制提供了有力的确认。

基本上，这种影响是随着热脉冲推动电子穿过碳纳米管束而带动的，就像一束冲浪的冲浪者一样携带电子。

一个有助于验证该理论的关键发现是，有时热波产生一个电压，但有时却同时产生两个不同的电压区域。Strano说：“我们的数学模型可以描述发生这种情况的原因，”而另类理论则无法解释这一点。根据研究小组的理论，热电波“分成两个不同的部分”，有时会彼此增强，有时会相互抵消。

他说，效率的提高“使该技术从实验室的好奇心转变为与其他便携式能源技术（例如锂离子电池或燃料电池）遥不可及的距离”。研究小组报告说，在最新版本中，该设备将热能转换为电能的效率超过1％，“效率比以前报道的要高几个数量级。”实际上，其能源效率是原始发现论文中报告的能源效率的10,000倍左右。

Strano指出，“在效率方面，锂离子技术花了25年才能达到目标”，而这项技术仅用了大约五分之一的开发时间。如果锂材料暴露在露天环境中，则锂极易燃烧，这与新设备中使用的燃料不同，后者更安​​全，同时也是可再生资源。

一匙糖

最初的实验使用的是潜在爆炸性材料来产生驱动反应的热脉冲，而新的研究则使用了更为良性的燃料：蔗糖，也被称为普通食糖。但是研究小组认为，其他燃烧材料有可能产生更高的效率。Strano说，与特定化学配方所特有的其他技术不同，基于碳纳米管的电源系统仅靠热量工作，因此，随着更好的热源的发展，可以将它们简单地交换为系统以提高其性能。

该设备已经足够强大，足以证明它可以为简单的电子设备（例如LED灯）供电。刘说，与长期存放会逐渐失去电源的电池不同，新系统实际上应具有无限的保质期。这可能使其适合诸如深空探测器之类的用途，该探测器在进入遥远的星球时会保持多年休眠状态，然后需要快速的爆发力才能在到达目的地时发回数据。

此外，新系统具有很高的可扩展性，可用于新兴的越来越小的可穿戴设备中。Mahajan说，电池和燃料电池的局限性使其难以缩小到很小的尺寸，而该系统“可以缩小到非常小的极限。”它的规模是独一无二的。

没有参与这项研究的澳大利亚皇家墨尔本理工大学电气与计算机工程教授Kourosh Kalantar-Zadeh说：“这项工作是“增加基于热电波的系统的能量和寿命的重要证明”。他说：“我相信我们距离热电波装置可能达到的上限还很远。”“但是，这一步骤使该技术对实际应用更具吸引力。”

他补充说，使用这项技术，“我们可以获得惊人的能量爆发，而这是无法通过电池获得的。例如，热电波系统可用于为微型和纳米电信枢纽中的长距离传输单元供电。”

该团队还包括安东·科特里尔（Anton Cottrill），尤尼史库·库奈（Yichiro Kunai），大卫·本德（David Bender），小哈维尔·卡斯蒂略（Javier Castillo）和斯蒂芬·吉布斯（Stephen Gibbs）。这项工作得到了空军科研办公室和海军研究办公室的支持。

出版物：Sayalee G. Mahajan等人，“基于高效热电波设备的可持续电源”，Energy Environ。科学，2016，DOI：10.1039 / C5EE03651H