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自我充電的電池能產生與儲存能量

only-perception
・2012/08/31 ・1214字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

再生能源技術通常包含二種截然不同的過程:能量產生(利用煤、太陽、風等等。)與能量儲存(例如電池)。這種二種過程總是透過二個不同的單元(unit,裝置)完成,第一種過程將原本的能量形態轉換成電,而第二種過程將電轉換成化學能。現在,工程師首度證明,可在單一裝置內產生與儲存能量,那直接將機械能轉換成化學能,繞過中間電力產生的步驟。此裝置基本上作用如同一個混合式發電–電池裝置,或換句話說,一個「自我充電的電池(self-charging power cell)」。

研究者,來自喬治亞州亞特蘭大,喬治亞理工學院的 Xinyu Xue、Sihong Wang、Wenxi Guo、Yan Zhang 以及 Zhong Lin Wang,已將其研究-於單一裝置內結合能量產生與儲存,發表在最近一期的《Nano Letters》上。

「這是一項計畫,在電池技術中引入新方法,在科學上,那是全新的,」Zhong Lin Wang 表示。「這具有一般且廣泛的應用,因為那是一種不僅能收成能量還能將之儲存的裝置。那不需要一個固定插在牆上的 DC 電源為電池充電,那大多數用來驅動小型、可攜的電子裝置。」

為製造自我充電的電池,研究者從硬幣型鋰離子電池開始,將一般用來分離二電極的聚乙烯(PE)隔離膜替換成聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。身為一種壓電(piezoelectric)材料,施加壓力時 PVDF 薄膜會產生電荷。因其位置介於電池二電池間,PVDF 薄膜會導致帶正電的鋰離子從陰極遷移到陽極,以維持整個電池的電荷相等。這種離子遷移過程,在不需要任何外部電壓源的情況下,改變了電池;因為 PVDF 隔離膜提供電壓,或二電極間的勢能差異,這電池本質上是自我充電的。

為了要對隔離膜施壓,研究者將硬幣大小的電池裝在鞋底,並發現走動就足以產生足夠的壓縮能替電池充電。頻率 2.3 Hz 的壓縮力,可在 4 分鐘內使裝置的電壓從 327 增加到 395 mV。增加 65 mV 顯然比傳統設置的 10 mV 更高,在傳統設置中,電池被分離成 PVDF 壓電發電機與具有傳統 PE 隔離膜的鋰離子電池。這樣的改善證明在一個步驟內達到「機械能至化學能」的轉換,比「機械能至電能」以及「電能至化學能」這種用來替傳統電池充電的二階段過程更有效率。

一旦達到電極間的新平衡,自我充電過程即終止。當所施加的壓力釋放後,電池開始供電,因壓電場(piezoelectric field)消失,而鋰離子能從陽極擴散回陰極,以達到新的平衡。一如在傳統的鋰離子電池中,離子擴散涉及電化學的還原/氧化反應,那在這裡產生約 1 μA 的電流,能供電給小型電子裝置。

「在所施的壓力移除後,鋰離子並不會立刻回流,因為它與陽極材料形成新的化合物(LiTiO),」Zhong Lin Wang 說。「電荷的保存與傳統的電池一樣。之後需要電力時,它們才釋出。」

雖然這些電壓與電流很低,不過研究者證明,電池也能以更高的電壓(約 1.5 V)自我充電,那使得它適用在更廣泛的應用中。研究者預測,透過數種修改(例如使用彈性外殼,藉此使壓電材料的變形更大),他們能更進一步改善電池效能。

資料來源:Self-charging battery both generates and stores energy. phys.org [August 17, 2012]

轉載自 only perception

相關標籤: 再生能源 電池
文章難易度
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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提早部署「免疫負債」!接種流感疫苗,有助於降低新冠肺炎死亡率

careonline_96
・2022/01/20 ・2436字 ・閱讀時間約 5 分鐘
接種流感疫苗,有助降低新冠肺炎死亡率,感染科醫師圖解說明

新冠肺炎 COVID-19 疫情是大家高度關注的問題,不過流感病毒可沒有沉寂,流感會不會出現大反撲,是目前全世界都很關心的議題。臺大兒童醫院黃立民院長表示,流感疫情與邊境管制措施有關,隨著政策的調整,流感再流行的機會相當大。因為已經兩年沒有流行,加上監視結果顯示,流感病毒株已經改變,所以當流感疫情升溫,可能出現大流行。

大家常聽到的「免疫負債」意思就是說,大家為了預防新冠肺炎 COVID-19,所以會戴口罩、勤洗手、保持距離,使得呼吸道感染、腸胃道感染的機會降低,因此一些本來容易得到的傳染病,例如流感、腸病毒等在這兩年都少了許多。黃立民醫師解釋,造成的結果就是,一旦解除防疫限制,民眾開始不戴口罩、洗手頻率減少、社交距離拉近,其他病毒就會開始流行。由於已經連續兩年都較少人感染,可以感染的人數就會變多,這個時候就容易爆發流行,把過去兩年沒有爆發的流行補回來,所以叫做「免疫負債」,像是還債的概念。

「包括法國、紐西蘭,都有觀察到這個現象,一開放邊界,就馬上大爆發」黃立民醫師提醒,「要解決免疫負債,就是要大家趕緊去打疫苗。冬天需要施打的呼吸道疾病疫苗,最強調的還是流感疫苗。」

流行性感冒病毒(Influenza virus)是經由飛沫傳染,感染者的鼻咽部、口腔、還有呼吸道都有病毒,在講話、咳嗽、打噴嚏時,會把病毒噴到環境裡,黃立民醫師說,如果距離一到兩公尺之內,就有機會被飛沫噴到而感染;另外一個模式,叫做媒介物傳染,感染者會污染他的物品,例如杯子、桌面、門把等,如果有人進入這些環境,就可能碰觸病毒而遭到感染。我們生活在城市裡,流感患者可能搭捷運、進餐館,所以扶手、椅子、桌子都可能有病毒,這種傳染模式在大城市相當常見。

流感症狀較嚴重,不同於一般感冒

呼吸道感染可分成兩種,一種叫做一般感冒,一種叫做類流感,黃立民醫師解釋,一般感冒比較輕微,類流感會比較嚴重。類流感的定義,第一個是發燒,第二個是有呼吸道症狀,比如說咳嗽、流鼻水、喉嚨痛等。

類流感跟一般感冒最大的差別就是發燒,成年人得到一般感冒通常不會發燒,如果發燒了,代表狀況比較嚴重,黃立民醫師說,台灣的類流感通常都會伴隨著一些比較不舒服的表現,包括畏寒發燒、全身痠痛、倦怠感、劇烈頭痛、腰酸背痛,這些都是流感的典型症狀。

流感不同於一般感冒

流感除了讓人全身很不舒服外,還可能出現嚴重併發症,黃立民醫師說,流感病毒會跑到肺部引起肺炎、跑到心臟造成心肌炎、跑到腦部造成腦炎,其中最常見是肺炎。流感病毒還可能引起繼發性細菌感染,例如在感染肺部以後出現細菌感染。

「由於流感病毒會攻擊我們的組織,造成全身發炎,進而導致患者原有的慢性病惡化」黃立民醫師說,「例如心臟冠狀動脈本來塞了 75%,得到流感之後可能就會塞到 95%,導致心肌梗塞。無論是慢性心臟病、高血壓、糖尿病、慢性腎臟、肝臟疾病,都可能會惡化,甚至導致死亡。」

預先部屬,預防流感

預防流感就跟預防新冠肺炎 COVID-19 一樣,要戴口罩、勤洗手、保持社交距離,減少接觸病毒的機會,黃立民醫師說,另一方面可以在每年冬天施打流感疫苗,提升身體的保護力。因為流感病毒會突變,每一年流行的病毒株都不太一樣,而且流感疫苗的保護力持續時間較短,一般認為大概三、四個月之後效果就漸漸變差了,所以每年需要重新施打。

預先部屬,預防流感

呼吸道感染發生時常常是兩、三種病原體一起感染,黃立民醫師說,隨著檢驗工具的進步,我們會發現很多人並非只有一種細菌或病毒,而是多重感染。研究發現,新冠肺炎患者亦會同時找到兩種病原,流感與新冠肺炎可能同時感染,而且病情還會加重。

「研究指出,施打過流感疫苗,比較不會被診斷新冠肺炎 COVID-19;而且如果不幸得到新冠肺炎,死亡率也會降低。」黃立民醫師解釋,「因為很多新冠肺炎屬於輕症,如果患者單獨得到新冠肺炎,症狀可能不甚嚴重,而不會就醫。但如果同時得到新冠肺炎和流感,症狀比較嚴重使就醫機率高,也就較容易被診斷出來。」

其實不只流感病毒、新冠肺炎,呼吸道本來就是一個開放的環境,還有多種細菌、病毒都混在裡面,同時遭到兩、三種感染,是很常有的狀況。因此建議可同時接種呼吸道疾病疫苗,例如流感疫苗、百日咳疫苗、肺炎鏈球菌疫苗等,都可降低新冠肺炎死亡率約兩成至三成。

貼心小提醒

五十歲以上,或者是有慢性病,例如心臟病、肝病、癌症、或是服用免疫抑制劑的患者,得到流感時出現重症的機會較高,一定要記得施打流感疫苗,提高保護力。另外,家人之間的傳播是流感病毒很重要的傳染模式,學生是傳播流感病毒的重要族群,所以也需要施打流感疫苗。

黃立民醫師強調,接種疫苗後需要一段時間身體才能產生保護力,建議大家要在流感疫情升溫前趕快施打疫苗!

careonline_96
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