为充分开发利用这种能量,科学家利用浓差电池原理,在离子交换膜间隔的两个容器中分别装入海水和江河水并分别插入电极,从而搭建出一个简单的电解质浓差电池。海水中高浓度的钠离子或氯离子可自由扩散到低浓度江河水中,只要海水和江河水的盐浓度不相同,两者的电势就一直存在,即可持续发电。
目前,已有不少企业开展盐产能发电研究,例如挪威的Stat-Kraft公司早在2009年就率先建成了10千瓦盐产能的示范装置。
离子浓差不够 “搭梯子”来凑
制造浓差电池的关键之一在于浓度梯度的构建,离子梯度越大,产生的电压越大。
实际上,浓度梯度普遍存在于自然界生物体中,其中电鳗无疑是完美利用离子浓度梯度放电的典型代表。其体内排列着6000至1万枚肌肉薄片,薄片间被结缔组织间隔,且有许多神经直通中枢神经系统,每枚肌肉薄片就是一个发电细胞,也就是一个微型浓差电池。
“简单来说,当发电细胞被神经信号刺激时,细胞前膜上的钠离子通道打开,细胞外的高浓度钠离子流入细胞内低浓度区域,这一扩散过程会产生65毫伏电压。同时,细胞后膜上的钾离子通道开启,胞内高浓度钾离子流出细胞,随之产生85毫伏电压。因此一个发电细胞就有0.15伏的电压。”论文第一作者肖湘婷说。
“我们发现电鳗的放电原理与浓差电池类似,且可弥补浓差电池的缺陷。”论文通讯作者纪效波说,电解质溶解度有限,意味着其浓度不可能无限大,那么离子浓度梯度也不可能如预想的那么大,可产生的电压阈值较低。而电鳗的发电原理恰好能够解决该难题,只要设计的浓差电池数量足够多,其整体电压值就可以一直上升。
早在2017年,就有研究者首次通过模仿电鳗设计了一种四聚体凝胶电池,一个电池平均可以产生约0.18伏电压。但这种凝胶电池制备过程烦琐,电池组分复杂,限制了后续扩展利用。