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正与负:能源新动力



撰文Rod Myer Alexandra Roginski

一种能在室温下保持液态的盐可能不久就会改变我们驾驶的汽车改善我们的可再生能源并帮助化工行业摆脱对石油的依赖。

混合动力汽车在汽车市场中占据着重要份额,但驱动这些汽车的技术仍存在某些安全隐忧——其电池比标准电池更加易燃——这已成为减少道路交通碳排放量的主要障碍。

蒙纳士大学化学系教授 Douglas MacFarlane 认为,如果汽车电池出现损坏,爆炸就是可能引发的主要问题,他相信,通过利用出色且更稳定的导电材料,这一问题可以迎刃而解。含盐的离子液体具有较低的熔点,可以通过控制其正负分子和原子这些通常所说的离子,用于不同的应用。

在澳大利亚研究委员会(ARC)设立的澳大利亚桂冠学者计划的鼎立支持下,他将在未来五年率领约 30 名从事研究工作的化学家和材料工程师继续推进提炼这种离子液体的研究项目。

“我们为可持续能源应用开发出新的化学技术,将主要用于能源储存,但也会用于能源发电,如太阳能电池,”MacFarlane 教授说,他在离子液体领域拥有 15 年经验,获得了众多专利,其中将氢提取用作燃料来源的技术已经实现商业化且极具成本效益。

他解释道,肉眼看起来更像是水或者酒精的液体盐,比固态盐更易进行化学控制,它们稳定性高,可防止蒸发或分解。此外,液体盐还可用作溶剂。

“我们已经知道如何令这些盐分子变大或者发生形状变异,从而使其不易于结晶。这意味着它们的熔点更低,并可在室温下保持液体状态,”他说。

为解决电动汽车面临的问题,MacFarlane 教授与其团队正在开发使用离子液体来改进目前较大锂电池的工艺。首要目标就是提高安全性。

“离子液体不易燃,也不易爆,因此可以解决这个问题。”

接下来,则是开发一种可以储存更多电量的新型锂电池。“电动汽车最大的问题以及纯电动汽车仍未问世的原因,就在于我们的电池没有足够的能量可以应付超过 150 至 200 公里的路程,而大多数人一箱油可以驾驶 500 至 600 公里。我们无法做到这一点的原因就是电池无法容纳更多的电量。”

由于锂相对稀缺,因此价格昂贵,MacFarlane 教授带领的研究人员同时还在研究使用资源更为丰富的钠来制造电池。

最终希望是,成本较高的可持续工艺与产品最终能够达到较低的价格,从而与传统燃料相媲美。

“我们面临的问题之一就是化石燃料十分廉价。我们早就知道,我们完全可以开发出更具可持续性的替代能源技术,但其经济性始终是横亘在前的难题。”

 

应用与合作

MacFarlane 教授在蒙纳士大学的研究团队还致力于太阳能电池的研究,目标是开发出比传统光伏电池更像是电池组的产品。而由于离子液体极为稳定,其使用时间更长,因而为用户回收成本提供了更多时间。

凭借对可再生能源的无限热情,MacFarlane 教授的工作已远远超出蒙纳士大学的范围。他还是众多澳大利亚国内与国际研究人员及行业合作项目的领导者。

通过与北卡罗莱纳大学合作,他正在开发用于太阳能热电站蓄能的复杂专用性盐。

同时,他利用离子液体作为溶剂从甘蔗废料中生产塑料的专利工艺已出售给澳大利亚的一家化学技术公司。

他参与最为密切的项目之一就是与澳大利亚研究委员会电子材料科学卓越研究中心(ACES)的合作项目,该项目涉及六家澳大利亚科研组织,其中就包括蒙纳士大学。在 ACES,MacFarlane 教授是能源项目的带头人,与卧龙岗大学、迪肯大学的研究人员和 ACES 成员保持着紧密的合作。

 

发展势头

项目的目标是把氢作为最理想的无碳燃料和太阳能储存方式。近期的进展包括改进了将水分子分解为氢和氧的工艺。氢已广泛应用于化学和食品行业,而且可能最终进入电动汽车和家庭,虽然目前仍需通过效率低下的工艺和化石燃料进行提取。

通过在加工流程中的两个步骤分别使用离子液体,MacFarlane 与研究伙伴已成功让水的分解更加清洁和高效。该液体已被用作制备加速水分解的催化剂。随后,如果它溶解在离子液体溶剂中,水分子将会更加有效地分解。

部分水分解流程的能源转换效率已接近 75%,据美国能源部估计,该数据已足够让制氢具有经济可行性,以便未来用作汽车燃料。

这项技术的商业应用即将来临,美国芝加哥的 True North Venture Partners 公司对其进行了风险投资,并通过其衍生公司 AquaHydrex 进行项目监督。

“从我还在学生时代开始,将氢开发为燃料能源就一直是业内的热门话题,”MacFarlane 教授说道,“但是由于工艺的效率欠佳,直到现在一直没有得以实现。”

他认为这是形成未来清洁能源商业与科学发展势头的重大举措,并希望氢气价格可以与化石燃料相媲美的时代早日到来。

他信心十足地表示,“如果有朝一日这成为现实,那化石燃料就能永远在地下安息了。”

 

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离子液体

随着石油供应的减少以及基于石油的燃料变得越来越昂贵,全世界都在期待科学研究能为其找到替代品。离子液体作为可持续能源研究方面的一个新领域,与未来的汽车能源技术息息相关。作为一种液体形态的盐,离子液体具有出色的非腐蚀性和不易燃性,因而可以更加安全地用于功率更高的电池和电容,从而为驱动世界上绝大多数汽车的石油能源提供替代选择。

蒙纳士社交媒体

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