今天,一些有利于地球环境保护的工程系统,例如无废气排出的电动汽车、将自然能源直接转换成电能的太阳光发电和风力发电等,都很难推广普及,其原因之一就是电池的问题。举例来说,电动汽车必须载有总重量为400公斤的电池(铅蓄电池),而且,电池还必须频繁充电和更换;同样,太阳光发电和风力发电,因为晚间以及无风的时候无法发电,所以,必须要有备用的电源。这些能源系统都缺乏一种经济效益较高的蓄电技术。
一场技术革命给电池带来新的生命,「电双层电容器蓄电系统」(ECaSS=Energy Capacitor Systems)问世。
将电能直接进行储存的电容器,是一种具有原理基础的高效蓄电装置,它要比将电转换成化学能源后进行存储的铅蓄电池,以及将电转换成水位能源后进行存储的扬水发电要先进得多。电容器的历史可以追溯到250多年前发明的莱顿瓶(早期的一种蓄电瓶)。今天,蓄电器也已成为一种重要的电子零件。但是,这种蓄电器有它自身的缺点,其单位重量以及单位体积的电能存储量(能量密度)较小,如果要储存较大的电力,整个装置就会变得巨大而沉重。从理论上来说,要取代电动汽车所载的400公斤的铅蓄电池,就必须要有八吨重的电容器,其重量竟达铅蓄电池的约二十倍。
科研工作者冈村迪夫是电容器改革的一位先驱。1992年元旦,冈村迪夫在自家院子里逗着从邻居家过来的猫。松软暖和的皮毛,他不经意地拿起手边的塑料垫子蹭了一下猫的毛,立刻产生了静电,猫毛竖起,发出吱吱声响。
“一瞬间,脑子里冒出有关ECaSS 的灵感,我设想是否可以将电能直接进行存储,还有,「电双层」是否可行,等等。”
所谓电双层,是指在电极和电解液的边界面上形成的一对正负电极层,这是120年前由德国物理学家赫尔姆霍茨所发现的。在电压超过界限,电分解尚未开始时,双层电起着绝缘膜的作用,而这种双层电的厚度仅相当于一个分子,非常薄,是一般的绝缘膜所远远比不上的。所以,从这个意义上来说,它与以往的电容器相比,能够形成远远大得多的能量密度,从而朝小型化的方向发展。不过,即使如此,其能量密度也只有铅蓄电池的二十分之一。