日本研发出“凭空”发电电池，可永久提取电能，中国怎么样了

日本科学家已经研发出一种新型发电电池。只需暴露在空气中，利用空气的湿度变化即可自我发电。相比煤炭发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、水能发电，这种“凭空”发电电池，完全不受地点的约束，哪里有空气，哪里就可以自我发电。它可以部署在世界各个角落，即使珠峰峰顶或者撒哈拉沙漠，照样可以大显身手。

这种电池也不受时间限制，无论天晴还是下雨，无论白天还是黑夜，可以做到7×24小时全天候发电。

将来手机需要充电吗？不需要，因为手机可以“凭空”自我发电；

将来手电筒需要装干电池吗？不需要，因为手电筒可以“凭空”自我发电；

将来家庭用电需要经过特高压远距离输送吗？不需要，因为房屋可以“凭空”自我发电。

这种“凭空”发电的技术，以前也有研究，但注意力都集中在氧化石墨烯这种物质上，因为氧化石墨烯在吸收水分时会产生电压。

日本的技术路线与众不同。它设计的电池由上、下两部分组成，上部向大气敞开，下部是一个密闭槽。上下两部分都填满了由水和易潮解的锂盐组成的电解液。

图1 “凭空”发电电池的工作原理

如果空气湿度较低，上部的开口槽中水分蒸发，电解液的浓度增加。下部的密闭槽由于不能和空气交流，所以浓度不会改变。结果，开口槽和密闭槽的电解液之间产生浓度差，电极之间产生电压，下部为正极。见图1A。

如果空气湿度较高，上部的开口槽吸收空气中的水分，浓度降低。结果，在与前述相反的方向上出现浓度差，产生相反方向的电压，上部为正极。见图1B。

可见，空气湿度无论是升高还是降低，都能产生电压。

地球上的空气湿度无时无刻不在发生着变化。日出以后气温逐渐升高，地面水分逐渐蒸发，源源不断地向空气输送水汽，使空气的绝对湿度增大。在温度最高之时（地方时14:00左右），绝对湿度出现最大値。

午后气温达到最高，空气的对流作用强大，近地面的水汽被带到高空，空气的绝对湿度开始逐渐减小。同时，午后气温开始降低，蒸发逐渐减少，向空气中输送的水汽减少，空气的绝对湿度继续降低，直至日出之前出现最小值。

总之，空气绝对湿度的最大值出现在一天中温度最高之时，最小值出现在日出之前。就这样，空气湿度日复一日地发生着有规律的周期性变化。于是，理论上可以实现永久提取电能。

在天气预报中，空气湿度常常用相对湿度来表示，而不是绝对湿度。相对湿度，表示空气中实际水汽量与该气温下饱和水汽量的百分比。

下图表示2017年1月11日武汉相对湿度在一天内的变化情况。可以看到，武汉在这一天内相对湿度的变化幅度超过65%。

图2：2017年1月11日武汉相对湿度在一天内的变化

当然，目前这种新型电池产生的电压非常低。在实验中，当湿度为30%时，产生的电压约22～25mV。湿度为90%时，电压约-17mV。电流也非常低。短路电流为5mA，电流密度为0.56mA/cm2。

别看电压、电流不起眼，它可以用作极低功耗的小型电子设备的独立电源。

比如，随着万物互联的物联网技术的不断进步，电子设备海量般增加。如何为海量电子设备供电的问题就出现了。手工连接电源线、定期充电、定期更换电池在物理空间、时间和劳动力方面可能将变得不切实际。

这时，“凭空”发电电池就可以派上用场。

最关键的是，传统的风能发电、太阳能发电、水能发电、煤炭发电、潮汐能发电做不到在任何时间、任何地方发电。而这种“凭空”发电电池可以在任何时间、任何地方发电，只要有空气就可以了。哪怕是在移动中，它就是一个移动发电机。

空气无处不在，电力无处不在。

而且它属于清洁能源，不释放污染物。

中国的“凭空”发电技术怎么样了？

不同国家的科学家选取了不同的技术路线。第一种技术路线，必须保证较高的湿度才能发电，干燥空气不能产生电流，比如以色列。第二种技术路线，无论是干燥还是湿润都可以发电，比如中国、日本、新加坡和美国。

图3 利用空气湿度“凭空”发电技术国际对比

我国清华大学化学系曲良体教授团队采用双层聚电解质膜作为发电材料，开发出一种异质膜湿气发电材料。当相对湿度为25%（25℃）时，产生0.95V的电压，85%时产生1.38V的电压。

从电压的最高值来看，日本技术路线产生25mV的最高电压，中国清华大学的技术路线产生1.38V的最高电压。中国是日本的55.2倍，已经非常接近实用化。

1.38V的电压值已经非常接近一节干电池的额定电压（1.5V），已经超过一颗镍氢电池的额定电压（1.2V）。但是干电池有自我放电的缺点，镍氢电池有反复充电的弊端。相比而言，新型“凭空”发电电池具有既不会自我放电，也无需反复充电的优点。

令人称奇的是，清华研究团队向着实用化方向迈进了一大步。首先，清华大学研究团队借助激光加工技术对电池进行大规模集成。集成后产生的电压高达上千伏。

其次，清华研究团队进一步使其小型化，体积仅为0.5×0.5×9.2cm3的集成器件可以产生高达百伏的电压输出。

该成果已经发表于《Nature Nanotechnology》。

新型“凭空”发电电池的应用前景非常广泛，不仅可以用于手电筒、照相机、手机、闹钟、传感器、摄像头、仪表、路灯、可穿戴电子设备等日常生活场景，还可以用于国防、科研、航海、航空、医学、智慧城市、智慧农业、智能家居等所有场景。

更令人叫绝的是，如果将将这种新型发电装置以某种方式融入到装修所用的墙漆中，完全可以为家用电器和工业电器提供电源，从而避免特高压远距离输电造成的电压损失和建造成本。