德国卡尔斯鲁厄理工学院

来源：新浪科技

新浪科技讯 北京时间8月3日消息，据国外媒体报道，手机等电子设备的锂电池会随着时间推移而老化，锂电池降解会产生巨大的环境成本，目前有没有更好的方式储存电能呢？

手机等便携式电子设备的广泛应用是当前时代特征之一，人们可在墙壁上插上手机电源，然后逐渐消耗这些存储的电能。而锂电池是手机的核心部件，它改变了传统储存和携带电能的能力，同时对我们的电子设备产生革命性变化。

锂电池的发展历程

1991年，日本索尼公司首次将锂电池实现商业化，当时该公司正在积极寻求解决手持摄像机电池寿命短暂的问题，目前锂电池已推广应用至许多产品，例如：智能手机、笔记本电脑、电动牙刷和手持吸尘器。2019年底，发明锂电池的三位科学家因该项革命性技术获得了诺贝尔化学奖。

随着越来越多的电动汽车出现在道路上，人类对更持久、电量更大电池的需求越来越大。

然而，现代人类的生活对锂电池的需求只会增加，电动汽车依靠锂离子电池来替代当前汽车使用的化石燃料，随着可再生能源在全球电力供应中所占比重越来越大，将需要更多的电池组储存电能，便于无风或者无太阳照射时使用。据悉，全球每年售出超过70亿块锂离子电池，预计到2027年，将超过150亿块。

但是随着手机逐渐老化，电量也越来越少，我们知道锂离子电池也存在局限性。随着时间的推移，电池充电能力会下降，这意味着其储存电能也会减少。同时，在极热或者极冷的天气中，锂电池的表现也会下降，此外，人们对锂离子电池的安全性和可持续性也存在担忧，在某些特定条件下，锂离子电池容易起火、发生爆炸。此外，开采锂离子电池所需的金属材料也会带来高昂的社会和环境成本。

这促使世界各地的科学家尝试研发新型电池来克服这些问题，他们希望利用一些新型材料，其中包括：钻石、臭气熏天的水果等，找到为未来技术提供动力的新方法。

锂离子电池的工作原理是使带电的锂粒子（离子）穿过中间的液体电解质，使电流从一端移动到另一端，锂离子电池的最大优势在于“能量密度”——电池在其体积下所能容纳的最大能量，这也使得锂离子电池成为市场上可售电池中价格最高的，与其他电池技术相比，锂离子电池还可提供较高电压。

本质上电池是由3个关键部件组成——负极、正极，以及正负极之间的电解质。电极的作用在正极和负极之间切换，这将决定电池处于充电还是放电。在锂离子电池中，负极通常是由一种金属氧化物制成，该氧化物包括另一种金属，充电时，锂离子和电子从负极移动至正极，电能将作为电化学势能“存储起来”。这是通过电解质中一系列化学反应发生的，该化学反应是由充电电路中流动的电能驱动的，电池在使用过程中，锂离子通过电解液以相反的方向从正极流向负极，而电子则通过安装电池的电子设备的电路系统，为电子设备提供动能。

新型材料替代锂离子电池是必然趋势

近年来，研究人员对电池正负极材料的改进有助于提高锂离子电池容量和能量密度，但当前最需要将锂离子电池成本降低。

我们希望未来几年部分电子随身设备的电池功能有所提高，这将改善人们的生活质量。英国牛津大学材料科学家莫罗·帕斯塔称，35年前化学技术发展已处于停滞不前的状态。据悉，帕斯塔是牛津大学法拉第研究所的项目负责人，他负责研发新一代锂离子电池技术。他的目标是提高锂离子电池的能量密度，同时提高其工作效率，这样电池就不会因为反复充电和放电而降低功能性。

为了做到这一点，帕斯塔致力于使用陶瓷制成的固体材料来替代锂离子电池中极易燃的电解质液体，使用固体可以降低电池短路或者不稳定情况下电解液燃烧的风险。2017年，三星手机出现一系列电池故障起火事件之后，立即召开250万部Galaxy Note 7s手机，采用固体替代传统电解液对于未来手机安全性至关重要，因为大多数便携式电子产品中的聚合物凝胶电解质是易燃的。

这种固态电池也可以使用致密的金属锂代替石墨正极，从而大幅增加能量存储，这可能对未来电动汽车产生深远影响。

目前，每辆电动汽车的电量相当于数千块iPhone手机电池，专家分析称，未来几年电动汽车将逐渐取代多数国家的化石燃料汽车，向固态电池的革命性转变意味着充电续航时间更长。

我们希望电池在未来几年广泛应用于电气设备和便携式电子设备，那么，我们是否应该寻找锂电池的替代品来减轻它对环境的影响呢？

世界上大部分的锂都是从南美洲大型盐沼中开采出来的，但是这个过程需要大量水，对环境构成一定破坏和污染。

安第斯山脉的“锂三角区”——包括阿根廷、玻利维亚和智利的部分地区，这里蕴藏着世界50%以上的锂金属自然资源，但是从盐碱地提取锂需要水，并且是大量的水。据悉，在智利阿塔卡马盐沼地区，开采锂金属的过程中，每提取900公斤锂金属，大约需要使用100万升水。其间涉及将富含金属的盐逐渐溶解在水中，过滤然后蒸发，直到提取纯锂盐。然而，智利环保机构警告称，该地区的锂、铜金属开采消耗的水资源远大于自然降水量。

为了解决这个问题，德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员正在研究如何在电池正极使用不同金属，例如：钙或者镁。钙是地壳中含量第五大元素，不太可能像锂那样出现供应问题，但利钙改善电池性能的研究仍处于起步阶段。镁也显示出令人鼓舞的初步成效，特别是在能量密度方面，并且有很好的商业前景规划。

近年来，一些科学家正在积极寻找更容易获得的材料代替锂金属，美国马里兰大学材料创新中心主任胡良兵（音译）使用多孔木片作为电极，制造了一种电池，金属离子在里面反应产生电荷。木材存量丰富，成本低，重量轻，在电池应用中显示出高性能潜力。目前，经过多年研制的最新电池可使用木材存储电能，其中包括木材纤维上涂锡，由于木材曾作为木本植物能够渗透传递养分，因此木材制成的电极具有存储金属离子的能力，不会像锂离子电池那样出现膨胀或者收缩的危险。

“刚果有一个普遍现象，几乎每个矿工都是带着孩子去挖锂矿。”

虽然胡良兵研究团队预测称木质电池未来可用于便携式电子设备以及大规模能源存储，但当前此项技术还无法对笔记本电脑进行充电，仍在实验室进行测试验证。目前，木质电池充电速度相对较快，一台配备木质电池的电子设备经过100次充电，仅能维持初容电容量的61%。

目前，应用于电池的木质材料宽度和长度仅几厘米，但未来可将电池堆叠或者连接在一起，实现更大规模的应用，这将最终用于家庭或者其他建筑的能源存储。

如果不妥善处理，电池中的化学物质和重金属会在腐蚀过程中泄漏到自然环境中。

事实上，锂并非现代电池唯一使用的金属，大多数电池还在负极使用钴和锂，但是钴矿开采会产生有毒物质，对矿区附近居民构成健康威胁，并严重破坏生态环境。目前非洲部分国家使用童工开采钴矿，尤其是刚果民主共和国，这个国家拥有世界50%以上的钴矿资源。

“刚果有一个普遍现象，几乎每个矿工都是带着孩子去挖锂矿。”美国德州农工大学化学工程师乔蒂·鲁特肯浩斯说。该现象激发她利用蛋白质开发“血液电池”的替代品，蛋白质是生物体制造并使用的复杂分子，电池正极一般是由石墨制成，而负极则是由含有钴等元素的金属氧化物制成，如果这两种活性电极都能用有机材料替代，就意味着未来不再需要大量开采钴，用于制造电池。

目前，每年出售的15亿部锂离子电池智能手机中，仅有大约5%手机的锂离子电池被回收。

据悉，乔蒂与同事凯伦·伍利合作开发蛋白质电池，这是世界上首个在酸液中自行降解的电池，这意味着它很容易分解并再次使用。

虽然蛋白质电池还处于概念验证阶段，还无法与锂离子电池产生竞争，蛋白质电池在报废之前，可循环充电50次，提供1.5伏电源，但这是一个令人兴奋的设计，证实未来新型电池将具有可持续性应用。

超级水果电池：榴莲电池充电仅需30秒

目前，一支创新团队不仅找到电池提供动力新方法，还能解决食物浪费的问题。澳大利亚悉尼大学化学工程师文森特·戈梅斯和拉博纳·沙布南正在将世界上最臭的水果榴莲和最大的水果菠萝蜜的废料变成超级电容器，能够在短短几分钟内对手机、平板电脑和笔记本电脑充电。

“我的妻子受不了这种恶臭气味，她在冰箱里将榴莲放一晚上就无法忍受，随后将残留的榴莲拿出来。”戈梅斯打趣道。

超级电容器是储存能量的另一种方式，它们就像蓄水池一样，能够快速充电，然后在爆炸过程中释放能量，它们往往是由石墨烯等昂贵材料制成的。但是戈梅斯的研究团队已经将榴莲和菠萝蜜中不能食用的物质变成了碳气凝胶——多孔超轻固体结构，其具特殊的自然能量存储特性。

榴莲以其难闻的气味而闻名，但它可以成为新一代超级电容器的材料，“榴莲电池”充电仅需30秒。

加热榴莲或者菠萝蜜，冷冻干燥处理，再将水果中不能食用的海绵核心结构在烤箱1500摄氏度以上高温烘烤，最终这些黑色、高多孔、超轻结构可制成低成本超级电容器的电极。

超级电容器充电仅需30秒，并应用于诸多电器设备。沙布南说：“能在不到1分钟内对手机充电是不可思议的事情！我们的目标是使用这些可持续性超级电容器存储可再生能源的电能，供汽车和家庭使用。”

此外，使用榴莲、菠萝蜜作为超级电容器还具有很好的环保用途，由于该水果气味特殊，全球超过70%以上的榴莲通常被丢弃。2018年，榴莲气味曾导致印度尼西亚一架航班客机暂时停飞；2019年，澳大利亚堪培拉大学图书馆因出现吃剩的榴莲，而进行了人群疏散。在这项研究最初阶段，戈梅斯的妻子也非常厌恶榴莲的恶臭气味，榴莲在冰箱中放了一晚上，就被清除丢弃。

其他类型的植物废料未来也可作为电器设备供电材料，俄罗斯莫斯科国立科技大学物理化学家米哈伊尔·阿斯塔霍夫将猪草转化为一种可用于手机充电的超级电容器原材料，据悉，在日常生活中猪草并没有太大的利用价值，它含有使人体皮肤起泡的有毒液体。

人造钻石电池：体积小，超长使用寿命！

虽然克服锂离子电池环保问题是最终可以解决的，但是一些专家正在深入研究，试图突破其他材料的局限性。英国布里斯托大学材料科学家汤姆·斯科特认为，下个世纪锂离子电池仍然占据电池主流地位，但在极端环境下会采用一些特殊储存能源的材料。

近年来，斯科特和研究同事一直致力于研制钻石电池，通过种植含有放射性碳-14的人造钻石，他们可以制造出“贝塔电流电池（betavoltaic batteries）”，它可以产生恒定电流，并能持续使用几千年时间。锁定在人造钻石晶格内的放射性同位素在核衰变时会释放超高能量电子。通过人造钻石可产生电子，用于制造电流。他们强调称，在钻石电池的外部层面，其辐射指数保持在安全等级之内。

现在该研究团队已制造一个“钻石电池”原型，他们将人造钻石放置在同位素镍-63产生的放射场中，触发电子穿过钻石。目前他们正在研制如何在核电站从石墨块中提取碳-14，斯科特和同事希望将这些核废料转化为使用寿命较长的电池。

斯科特同事索菲·奥斯伯恩说：“长期以来，我们一直在收集核废料，现在我们不再谈论长期储存的问题，而是将它们用于发电。”

虽然像锂离子电池这样的化学电池不适用于高温环境，而钻石电池能挑战一些极端环境，具有一定的优势，例如：应用于空间环境、海洋底部、火山顶部等，它将成为保障卫星电源和传感器正常运行的最佳电池。

为卫星或国际空间站更换电池不是一件容易的事，因此更持久的储能电池将是一个优势，未来“人造钻石”电池将有广阔的应用领域。

“人造钻石电池另一大优势是体积很小，目前研究人员已制造出1.8伏的钻石电池，它类似于一块AA电池，尽管其电流要低很多。从技术上讲，人造钻石电池是可以充电的，但需要在反应堆堆芯中放置几个小时才能达到额定功率，虽然放射性物质衰变时会产生稳定电流，这意味着它们能持续使用很长一段时间，碳的半衰期为5730年。”

尽管这种新型电池是由“钻石”制成，但它们的成本并不贵，斯科特说：“你会惊讶地发现人造钻石价格很便宜。”

他认为，未来10-20年，我们甚至可以看到超长使用寿命的钻石电池，它们可作为烟雾报警器或者电视遥控器的电源，也可能应用于助听器或者心脏起搏器等医疗设备。未来我们可能不用在半夜更换烟雾报警器失效电池感到痛苦了。（叶倾城）

我们许多人都知道，激光的理论基础起源于爱因斯坦，1916年他首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系，提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’，指出在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象，即“受激辐射的光放大”，简称激光。

激光谱线宽，英语：laser spectral linewidth，指一个激光束的谱线宽。激光发射的两个最独特的特征是空间相干性和光谱相干性。虽然空间相干性与激光器的光束发散有关，但光谱相干性是通过测量激光辐射的线宽来评估的。

谱线，英语：spectral line，指在均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条，起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。

谱线通常被认为是量子系统，即通常是原子、但有时会是分子或原子核，和单一光子相互作用产生的。当光子的能量确实与系统内能级上的一个变化符合时（在原子的情况，通常是电子改变轨道），光子被吸收。然后，它将再自发地发射，可能是与原来相同的频率或是阶段式的，但光子发射的总能量将会与当初吸收的能量相同，而新光子的方向不会与原来的光子方向有任何关联。

英国萨里大学萨里大学电气与电子工程系先进技术研究所，和德国卡尔斯鲁厄理工学院控制系统研究所的研究人员合作，在最近的《量子电子学》杂志上发表的一项全面而详细的研究中，对围绕激光原理和激光光谱的60多年的正统观念提出质疑，即光谱线宽是控制和测量光波长的基础。

这一最新开创性研究可能会改变科学家理解和描述激光的方式，从而在经典物理学和量子物理学之间建立新的桥梁关系。

在这项新研究中，研究人员发现，激光的基本原理，即光的放大可以补偿激光的损耗，只是一个近似。该研究团队量化并解释说，微小的过量损耗，即由放大的光而不是激光器内部的正常发光来平衡，为激光器的光谱线宽提供了答案。这些损耗机制之一是激光的光耦合，广泛应用于如汽车制造、电信、激光手术、全球定位系统GPS等的激光束。

光谱相干程度表征了光的光谱纯度。它可以在时域中等效地由衰减时间、或发光振荡器的品质因数、相干时间、或长度表示发射光的线宽Δν，或者通过对频域通过傅里叶变换。该论文研究了其谱线形状、模式轮廓和分布，并验证了所有模式轮廓的总和是否生成了相应的分布。

该研究的发现对量子光学图像提出了质疑，量子光学图像首先提出，受激发射是同相发生的，而自发发射是相对于入射场以任意相位角发生的；其次，激光线宽是由振幅和相位引起的自发发射引起的波动。研究指出，激光线宽的一阶推导完全是半经典的，包括四个近似值：（i）它是真正的连续波激光器；（ii）它是理想的四能级激光器，（iii）它的谐振器没有固有损耗，iv）每个光子在谐振器的每个光子衰减时间内都自发地耦合到激射模式，与泵浦速率无关。

论文在讨论现有的激光线宽半经典描述和量子光学描述的不一致之处之后，介绍了光谱相干因子，该光谱相干因子量化了有源与其下层无源模式下的光谱相干，并基于增益的原理是延长光子衰变时间并缩小线宽，即单激光模式的基本线宽。该线宽对于具有任意能级系统，在阈值以下、处于或之上以及在瞬态激光状态下运行的激光器有效，其增益与损耗相比更小、相等或更大。论文验证了在基于量子光学方法的激光线宽上，基于密度算子主方程，增益小于损耗。

这就提出了两个重要的问题，显然需要回答这些问题才能在激光模式下建立光谱相干的完整图像。首先，存在量子波动，那么它们如何精确地影响基本激光线宽？人们可能会推测它们导致基本激光线宽的扩大。其次，在接近阈值的情况下，由量子力学得出的激光线宽减小的物理解释是什么？该论文获得了第二个问题的半经典答案，并在论文的第二部分进行了讨论。有趣的是，它与第一个问题没有联系，第一个问题的答案似乎涉及更多。

萨里大学光学教授马库斯·波尔瑙（Markus Pollnau）解释说：“自1960年发明激光以来，激光光谱线宽已被全世界教科书和大学教学中描述为激光的自然产物，因为其量子物理解释甚至对于学校讲师来讲也提出了非凡的挑战。”

波尔瑙教授表示：“正如我们在这项研究中所解释的那样，有一个简单易懂的激光光谱线宽推导，而基础的经典物理学证明：量子物理学试图解释激光光谱线宽的尝试是毫无希望的。这一研究结果将对量子物理学的影响具有根本的意义。”

参考：Spectral coherence, Part I: Passive-resonator linewidth, fundamental laser linewidth, and Schawlow-Townes approximation, Progress in Quantum Electronics (2020). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2020.100255

科技改变生活，

Wi-Fi墙纸、发光墙纸、发热墙纸、报警墙纸，

智能科技的引入，

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墙纸人，你准备好了吗？

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Wi-Fi墙纸——将Wi-Fi信号强度提高近10倍

据外媒报道，美国科学家发明了一种“智能墙纸”，它可以将Wi-Fi信号强度提高近10倍，让容量翻一番。根据麻省理工学院博士生文卡特-阿伦(Venkat Arun)和教授哈里-巴尔克里希南(Hari Balkrishnan)的研究论文，这种智能墙纸解决了室内环境中Wi-Fi信号可能被墙壁阻挡的问题。“它可以制作成一张薄薄的柔性薄片，可以作为(彩绘的)墙纸粘贴在墙上。”该研究论文说。而且，它不需要布线。

发光墙纸——透明“薄膜”一通电就亮了

发光壁纸，一种新型装饰壁纸，能发出不刺眼的光，优于传统灯泡。其核心技术是使用了一种“OLED有机发光二极管”。发光壁纸由英国罗摩克斯公司研制，以取代电灯为房间提供照明。这种照明方式不仅耗能更少，而且效果更佳。虽然壁纸需要通电才能发光，但是人们大可不必担心触电问题。发光壁纸电压只有3-5伏，用电池或太阳能供电，其亮度高低可以通过开关调节，照明效率比目前市面的技能等高2-3倍。

发热墙纸——安全阻燃、高效节能、耐热防潮

石墨烯发热墙纸，是把取暖器做到只有0.5cm厚的墙纸中。它的工作原理是首先利用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，然后利用滚压或者加压的方法实现石墨烯膜到PVC、PET等材料的转移，最后加上电极制备成石墨烯加热膜。主要是通过石墨烯薄膜形成的均匀的电阻层，在220V电压的加热下，实现薄膜的加热，石墨烯膜主要通过释放远红外线，实现对空间的加热。石墨烯发热墙纸主要有三层材料组合而成，其分别是：保温层、发热膜、墙纸，同时外置智能温控设备，可实现APP远程遥控。

报警墙纸——中国发明遇火2秒内自动报警

来自上海硅酸盐研究所的研究人员发明了一款耐高温不可燃的墙纸，而且遇到火灾时会自动报警。它的原理是采用一种石墨烯氧化物墨水作为里面的热敏传感器，滴在无机耐火纸上，再连接铜导线作为外部的电极。石墨烯氧化物在室温下是绝缘的，发生火灾的时候 它就会受热导电，然后，连接着传感器上的报警器就会开始报警了。传感器设置在墙纸背面，所以不会影响美观。

抗震墙纸——不仅仅装饰，还能抗震的特殊墙纸

EQ-TOP新型墙纸是由德国卡尔斯鲁厄理工学院研发的一种抗震墙纸。它可以加固墙体，提升400%的强度，达到防震的奇效。采用玻璃纤维和塑料为原料，编织成薄薄的墙纸。由于纤维沿四个方向排列，因此非常能抵抗地震的影响。同时，极强的抗撕裂性的玻璃纤维结构提供了稳定性，而聚丙烯塑料纤维则提供了必要的弹性以抵抗地震。目前，在意大利的许多学校中都使用了这种墙纸。据统计，在全球已经安装了超过300000平方米的EQ-TOP系统。而且，在许多历史建筑修复的时候也使用了这种墙纸。

无缝墙布——无缝拼接、环保无味、色泽稳定

无缝墙布是墙布的一种是根据室内墙面的高度设计，可以按室内墙面的周长整体黏贴的墙布，一般幅宽在2.7米到3.10米的墙布都称为无缝壁布。无缝墙布的优点包括无缝粘贴、立体感强、手感好、装饰效果呈现、防水、防油、防污、防尘、防静电抗墙裂，易打理等。

以上提到的大部分新型墙纸尚未进入量产阶段。与它们不同，无缝墙布已经广泛投入生产，并且获得了市场的良好反馈。艾是、雅琪诺、领绣等墙布品牌在墙布生产领域颇有建树，深受消费者喜爱。

艾是墙布——120度高温4小时杀菌清洗

艾是墙布采用基材为天然材质如：棉、麻、毛、真丝等的现代新型天然环保材料，无毒无味，完全避免了甲醛等对人体有害的物质，可以做到当天安装当天入住。艾是墙布采用先进的纳米色织技术，通过对原材料纱线染色清洗与面料120度高温4小时杀菌清洗等独一无二的多道清洗工艺，彻底解决与避免了染色布、印花布、墙布的生产过程中的多次污染。最后封入艾是特有的环保涂层（达到防水、防污功能）。所以比起墙纸的印刷与同类产品的染色印花墙布等，从成品就已与污染元素绝缘。

雅琪诺3N无缝墙布——非织造、无复合、免印染

3N无缝墙布是雅琪诺独创产品，「非织造」「无复合」「免印染」，具备更优异的环保性能，通过双侧防水浸轧工艺制造而成。精选120G超厚医用无纺纤维基底，以其内部微孔结构，实现松软透气透湿的功能性，防止墙布发霉。采用圆网印刷工艺，保障产品色彩的表现能力，并同时通过高精压纹工艺，呈现产品表面的蚕丝纹理，整体观感柔和，触感细腻。

领绣刺绣墙布——传承千年刺绣精华

LEADSHOW领绣刺绣墙布为浙江联翔家居装饰股份有限公司旗下品牌，源于中国2000余年传统刺绣。2011年，公司创始人卜晓华发明无缝刺绣墙布(专利号：ZL201210102522.3)，LEADSHOW领绣刺绣墙布诞生；它推崇隽美的家居生活方式，致力于传承千年刺绣精华、创造奢华家居生活的使命。公司现累计有100余项国家专利，其中有效发明专利4项、实用新型专利11项。领绣刺绣墙布品牌，是中国家装市场上的宠儿和高端家居消费群体的喜爱品牌。

上海墙纸展，聚焦全球墙纸领域创新科技，引领墙纸墙布行业趋势。墙纸墙布新产品、新发明、行业新话题、都将一并呈现，9月21-23日上海新国际博览中心，敬请期待！