瓶裝陽光“熱電池”帶來新的太陽能革命

:《美國科學(xué)家與發(fā)現(xiàn)》雜志前編輯、專欄作家和紐約大學(xué)SHERP科學(xué)新聞項(xiàng)目訪問學(xué)者科里S.鮑威爾(CoreyS.Powell)前幾天撰文說，一種類似塑料的材料可能代替蘋果手機(jī)和特斯拉汽車的高性能太陽能電池。

科學(xué)家正在設(shè)法繞過圖示的昂貴發(fā)電板，直接儲(chǔ)存太陽熱

太陽能清潔、豐富，也令人煩惱：夜間或陰天就不不管用了。可以把陽光轉(zhuǎn)化為電能、再儲(chǔ)存在電池里，但這既復(fù)雜又昂貴。很多時(shí)候，實(shí)際上想要的不是電，而是做飯或采暖等勞務(wù)的熱能。

換句話說，想要的是“瓶裝”正午太陽的熱，然后按需打開的“辦法”。咋聽起來，幾乎不可能，但有些非常倔強(qiáng)的科學(xué)家已經(jīng)找到了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法，而且相信這項(xiàng)技術(shù)可能帶來“變革”。

據(jù)去年底報(bào)道，馬薩諸塞大學(xué)的化學(xué)家Dhandapani Venkataraman領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型聚合物，在吸收和釋放熱能方面效果“驚人”。這款名為AzoPMA類似塑料的材料，可能是開發(fā)高效“熱電池”的關(guān)鍵。就太陽能技術(shù)而言，能代替蘋果手機(jī)和特斯拉汽車的高性能太陽能電池。

麻省大學(xué)的約翰•索利姆博士

熱電池的基本原理很簡單。能“保持”熱能的任何物質(zhì)都“合格”。例如一個(gè)游泳池，在陽光明媚的八月午后會(huì)變熱，就是個(gè)原始的熱電池。

熱的海綿

AzoPMA的“杰出”表現(xiàn)是能儲(chǔ)存多少熱能。它每盎司（28.35克）保持的熱能是水的200倍。秘密，就在于它的分子“緊系”著兩種形狀或者結(jié)構(gòu)。

AzoPMA暴露在陽光下，它的分子會(huì)“呈”高能“態(tài)”。受到另外的觸發(fā)稍微加熱或被激活，這種分子就回到低能“態(tài)”，儲(chǔ)存的熱量就會(huì)“噴涌”出來。

麻省理工學(xué)院的研究人員也研制出一種化學(xué)熱“電池”，能按需釋放能量

與此同時(shí)，麻省理工學(xué)院（MIT）的材料科學(xué)家杰弗里•格羅斯曼（JeffreyGrossman）博士在另一類型的儲(chǔ)熱方面取得了令人矚目的進(jìn)展。格羅斯曼創(chuàng)造的一種脂肪化合物加熱會(huì)融化，但與直覺相反，冷卻時(shí)卻不會(huì)凝固。除非用藍(lán)色LED激活，否則會(huì)一直處于融化狀態(tài)。只在凝固時(shí)，才釋放它“鎖定”的熱能。

MIT的杰弗里•格羅斯曼博士

格羅斯曼說，“我們創(chuàng)造的材料能以全新方式儲(chǔ)存熱能”。

能用瓶裝的陽光做什么？

或許會(huì)在發(fā)展中國家，太陽熱電池會(huì)找到它們最早的用途。

印度工業(yè)企業(yè)塔塔集團(tuán)公司（Tata）正在出資開發(fā)太陽熱烘爐，用以取代廣大農(nóng)村燃燒木頭、柴枝或牛糞的爐灶。它冒出的煙塵嚴(yán)重危害健康。兩升電池材料保持的熱能，足夠每天無排放地烹飪一小時(shí)。

約翰•索利姆博士說，“也可想象在徒步旅行時(shí)給這種分子充熱，然后排熱烹飪晚餐”。在MIT的一位同事按同樣的道理，使儲(chǔ)熱電池與紡織纖維相結(jié)合，也可在白天徒步旅行時(shí)用上衣和襪子收集熱能，之后用來熱飯。

熱電池也可以捆綁成大型儲(chǔ)熱裝置，供整個(gè)家庭采暖，或者以薄膜的形式鋪在道路、屋頂和汽車擋風(fēng)玻璃上，冬季風(fēng)暴后能動(dòng)迅速融雪，不用任何電力。德國寶馬汽車公司一直在與格羅斯曼的團(tuán)隊(duì)探討最后一概念。

儲(chǔ)熱技術(shù)一旦變得切實(shí)可行，也許在10年之內(nèi)——格羅斯曼期待許多另外的新用途。他說，“今天的熱電池就是一個(gè)世紀(jì)前的電池”，“有令人振奮的用途，我們剛剛開始理解。”

附：原文

MACH

'Battery'thatbottlessunshinecouldbringanewsolarrevolution

byCoreyS.Powell

Jan.14.2018

Aplastic-likematerialmaydoforsolarpowerwhathigh-performanceelectricalbatterieshavedoneforiPhonesandTeslacars.

Solarenergyisclean,abundant,andirritatinglyinconvenient:Itdoesn’tworkatnightoroncloudydays.Youcanconvertsunshineintoelectricityandstoreitinabattery,butthat’scomplicatedandexpensive.Andmuchofthetime,whatyoureallywantisn’telectricitybutheatfortaskslikecookingorwarminghomes.

Whatyouwant,inotherwords,isawaytobottletheheatofthenoondaysunandthenuncorkitondemand.Thatsoundsalmostimpossible,butsomeverydeterminedscientistshavefoundawaytomakeithappen—andthey'reconvincedthetechnologycouldbetransformative.

AteamledbyDr.DhandapaniVenkataraman,achemistattheUniversityofMassachusetts,reportedlastmonthonanewpolymerthatisstunninglyeffectiveatabsorbingandreleasingheat.DubbedAzoPMA,theplastic-likematerialcouldbethekeytothedevelopmentofahigh-efficiency“thermalbattery”thatcoulddoforsolartechwhathigh-performanceelectricalbatterieshavedoneforiPhonesandTeslacars.

Theunderlyingprincipleofathermalbatteryissimple.Anymaterialthatholdsheatqualifies.AswimmingpoolthatwarmsuponasunnyAugustafternoonisaprimitivethermalbattery,forinstance.

THERMALSPONGES

WhatdistinguishesAzoPMAishowmuchheatitcanstore.Ounceforounce,itholdsarecord-setting200timesasmuchthermalenergyaswater.Thesecret?Itsmoleculestogglebetweentwoshapes,orconformations.

WhenAzoPMAisexposedtosunlight,itsmoleculesadopttheirhigh-energyform.Then,whenslightlywarmedoractivatedbyanothertrigger,themoleculesreverttotheirlow-energyformandthestoredheatcomesgushingout.

Meanwhile,Dr.JeffreyGrossman,amaterialsscientistatMIT,ismakingimpressiveprogresswithanothertypeofthermalstorage.Grossmanhasdafattycompoundthatmeltswhenheatedbut,erintuitively,doesn’tfreezewhenitcools.ItstaysmelteduntilactivatedwithablueLED.Onlythendoesitsolidify,releasingitslocked-upheat.

“We’recreatingmaterialsthatstorethermalenergyincompletelynewways,”Grossmansays.

WHATTODOWITHBOTTLEDSUNSHINE

Solarthermalbatteriesmayfindtheirfirstapplicationsinthedevelopingworld.

Tata,theIndianindustrialconglomerate,isfundingthedevelopmentofsolar-thermalovensthatcouldreplacetheubiquitousruralstovesthatburnwood,brush,ordung.Fumesfromthosestovesareamajorhealthhazard.Acoupleoflitersofbatterymaterialwouldholdenoughheatforanhour’sworthofemission-freecookingeachday.

“Orimaginewhengocamping,you’dbegingthemoleculeswhileyouarehiking,thenyou’ddisgethemtocookyourdinner,”Venkataramansays.Alongthesamelines,acolleagueatMITisincorporatingthermal-storagebatteriesintotextilefibers,soyourhikingjacketandsocksmightcollectwarmthduringthedayandthenreleaseitoncommandatnight,afteryou’vefinishedyoursolar-heatedmeal.

Thermalbatteriescouldalsobebundledupintobigstorageunitstoheatentirehomes,orspreadoutasthinfilmsonroadways,rooftops,andcarwindshields,wheretheycouldrapidlymeltawaysnowafterwinterstorms—withoutanyelectricity.BMWhasbeenexploringthatlastideawithGrossman’steam.

Onceheat-storagetechbecomespractical—perhapsinaslittleasadecade—Grossmanexpectsmanyothernewusestoopenup.“Thermalbatteriestodayarewhereelectricalbatterieswereacenturyago,”hesays.“Thereareexcitingapplicationswe’reonlystartingtounderstand.”