科技动态深圳先进院研发出新型高效钙离子混合储能器件

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其研究团队成功研发出了一种能在室温下工作的新型高效钙离子混合储能器件,其获得了钙离子储能体系的最佳性能。相关研究成果“ACalcium-IonHybridEnergyStorageDevicewithHigh CapacityandLongCyclingLifeunderRoomTemperature”已在线发表于国际期刊AdvancedEnergyMaterials(《先进能源材料》,Adv.EnergyMater.2019,1803865)上。  钙储量丰富,是锂的2500倍,能提供二电子反应且拥有优秀的动力学性能,因此钙离子储能器件有望成为新一代高效低成本储能技术。然而,在过去二十多年里,钙离子储能技术所需的正、负极材料,电解液均发展缓慢。由于缺乏合适的电极材料与电解液的组合,使得难以构建基于摇椅式工作机制的完整储能器件,从而严重阻碍了钙离子储能技术的发展。该领域研究发现,采用阴离子与正极反应、阳离子与负极反应的多离子工作机制有望解决上述问题。在多离子工作器件中,基于非法拉第反应的超级电容器具有长寿命、高倍率等优点,然而其工作电压及容量较低;而基于法拉第反应的双离子电池虽然具有高电压、高容量,但由于阴离子对正极结构的破坏,使得循环性能与倍率性能较差。  为解决上述问题,唐永炳及其团队成员吴南中、姚文娇等人研发出了新型钙离子混合储能器件。该器件采用电容型材料活性炭作为正极、电池型材料锡箔作为负极,Ca(PF6)2作为工作电解质。当电池充电时,PF6-与活性炭发生吸附反应,Ca2+与锡箔发生合金化反应,放电过程则相反。该钙离子储能器件有效利用了超级电容器与双离子电池的各自特点,从而获得了高电压、大容量和高倍率性能,并且在室温下展现出优异的循环稳定性,在0.2A/g的电流密度下,循环1000次后,容量保持率高达84%。  该项研究得到国家自然科学基金、中科院项目、广东省科技计划项目、深圳市孔雀计划、深圳市科技计划项目等的资助。  论文链接  图:(a)超级电容器,(b)双离子电池和(c)混合储能器件在充电过程中的正(红线)、负(蓝线)极电位变化;(d)钙离子混合储能器件的循环稳定性,1000次循环后,容量保持率为84%;(e)钙离子混合储能器件在不同循环次数下的充放电曲线。

科技动态科学家发现跨越亿年的“小脚印”

  近日,科学家在韩国发现一件极为罕见的恐龙皮肤化石,并发现了世界最小恐龙足迹的整个脚底鳞片印痕,其细节对科学家理解极小型兽脚类恐龙的演化有重要意义。该研究由韩国晋州国立教育大学科学教育部教授金景洙、中国地质大学(北京)副教授邢立达等共同完成。相关论文于2月14日发表于《科学报告》。  据悉,在恐龙足迹化石中,保存有皮肤印痕的不到总数的百分之一。更重要的是,不同种类恐龙的皮肤鳞片模式各不相同,具有重要的形态学特征。  “在过去几年中,我们与韩国、美国学者一起,积极寻找一种很特殊的足迹——小龙足迹,这是世界上最袖珍的恐龙足迹。常见的恐龙足迹长度约20厘米到30厘米,但小龙足迹只有两厘米左右。在野外,这么小的恐龙足迹不仔细辨认很可能就会错过,这也意味着小龙的体长只有麻雀大小。而我们没有想到的是,竟然在这么小的足迹上发现了皮肤印痕。”邢立达介绍说。  这批足迹是非常幸运的,它们差点消失在韩国晋州的一次大规模基建中。幸运的是,“鹰眼”及时出现并展开了抢救性的古生物学调查和营救工作。邢立达所在的圈子有自己的超级英雄——“鹰眼”,就是邢立达给金景洙起的外号。当“鹰眼”在一块破碎的石板上发现第一个小龙足迹化石,并发现其有着完美皮肤痕迹时,他意识到这不是一个普通的发现,便立即叫停了整个工程,并召集中、美等国的专家学者展开了细致研究。这些精致的小龙足迹一共有4个,组成了一道行迹,跨过1亿年的时空遇到人类。  “小龙足迹仅在韩国和中国发现,是东亚白垩纪的特有足迹,此次发表的是世界上第10处发现有小龙足迹的化石点,也是首次发现这种足迹的皮肤印痕。”邢立达说。  古生物学家从未发现过如此完美的皮肤印痕,足迹上的鳞片痕迹平均直径还不到0.4毫米。而且,不同于此前的鳞片印痕仅出现在足迹的部分区域,小龙足迹保存了整个脚底的皮肤。  为什么这些皮肤印痕保存得如此完好?论文共同作者马丁·洛克利解释说,足迹是在非常薄的一层细泥上留下的,它就像一层厚度仅为一毫米的新鲜涂料,涂在坚硬的地面上。当小龙踩在这个黏性地面时,脚底的鳞片纹理得到了完美的复制。证据还表明,在足迹形成之前,这个地方下过一场阵雨,因此在地面留下了雨滴的痕迹。这是因为在一个足迹上,研究人员观察到小龙踩坏了一个雨痕,从而证明了先下雨,后有恐龙经过。  小龙足迹的鳞片模式与其他肉食性兽脚类恐龙足迹相似,而明显区别于古鸟类的脚底鳞片模式。此前发现的其他肉食性兽脚类恐龙足迹的鳞片要大得多,其鳞片直径可达两厘米左右,约一个硬币大。这表明所有兽脚类恐龙都有类似的鳞片模式。小龙足迹上精致、保存完好的鳞片模式,就像比它大得多的近亲鳞片的缩小版,只是尺寸同比缩小,数量并没有增加。  “这种皮肤棒极了,不会因为尺寸小就变成密密麻麻的小坑,而是坚守它们的排列原则。”邢立达开玩笑说,“这或许就是恐龙护肤的终极秘密。”

科技动态银河系中心附近发现中等质量黑洞

  阿尔玛望远镜在银河系中心附近捕捉到特异分子云的详细结构。根据其运动进行分析,日本科学家发现了超过太阳质量3万倍的黑洞存在。他们认为,在银河中心附近可能潜伏着多颗类似的中等质量黑洞。  在众多的星系中心,有超过太阳数百倍至一百亿倍质量的超大质量黑洞。这些黑洞如何形成的是宇宙中巨大谜团之一。理论认为,超过太阳数百倍至十万倍质量的中等黑洞通过合体、成长,形成了超大质量黑洞。但是尚未获得中等质量黑洞存在的确凿证据。  日本国立天文台与庆应义塾大学的研究小组对距银河系中心“射手座A”20光年处发现的速度异常的分子气体云进行高解析度电波观测,发现该分子气体云由多条气体流形成,并捕捉到其被“隐形重力源”强拉而进行公转运动的景象。对其运动状态的分析发现,比太阳小得多的区域集中了太阳3万多倍的巨大质量,这强烈预示着在银河系中心核附近游荡着中等质量的黑洞。  捕捉到中等质量黑洞存在的意义首先在于,中等质量黑洞在银河系中心附近被发现,其未来可能会被中心的超大黑洞吞没,中等黑洞对理解超大黑洞的起源和星系进化具有重大意义。其次在于这个黑洞的“暗度”。迄今为止已在银河系发现了数十个黑洞,大部分是拥有伴星的黑洞联星,其降落圆盘闪闪发光。理论预测银河系中存在大小1亿颗以上的黑洞,即银河系内的黑洞大都不能从伴星充分补给物质,因此较为“黑暗”,要从明亮的降落圆盘辐射检测黑洞非常困难。此次证明由强重力搅动来检测气体云的方法,是检测黑暗黑洞的有效方法。此次发现不仅增进了对超大质量黑洞起源以及星系进化的理解,研究周围气体运动也打开了探测黑洞的一扇新的大门。  研究成果已于近期发表在美国《天体物理学杂志快报》上。

科技动态我国首次实现深海6000米大深度数据北斗卫星实时传输

  1月31日,“科学”号科考船完成西太平洋综合考察航次后,返回位于青岛西海岸新区的母港。本航次历时74天,航程12000余海里,是“科学”号首航以来离开国内航程最长、时间最久的一个航次,并于航次中间靠泊密克罗尼西亚波纳佩港补给。航次成功维护升级了我国的西太平洋实时科学观测网,取得多项重要成果。  本航次首次实现了深海潜标大容量数据的北斗卫星实时传输。该项目自主研发的技术成果克服了深海潜标载荷容积小、供电少和数据量大等困难,显著提高了深海数据实时传输的安全性、自主性和可靠性。项目融合感应耦合和水声通信技术,首次实现深海6000米大水深数据的实时传输,在大洋上层实现每100米一个温盐流数据的实时传输,在大洋中深层实现每500米一个温盐流数据的实时传输。6000米深海数据北斗卫星实时通信潜标自布放以来已安全运行1个多月,数据回传正常。  在开展西太平洋暖池核心区调查的同时,科考人员向东拓展,首次在中太平洋暖池冷舌交汇区进行了物理、生物和化学多学科联合观测。  在中国科学院海洋先导专项、科研仪器设备研制项目、海洋大科学中心高端用户项目、青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山科技创新计划和问海计划等项目的联合支持下,西太平洋科学观测网经过5年的建设,深海连续和实时观测能力稳步提升,具备数据实时传输功能的潜标套数、设备深度、设备密度逐步增加,系统运行的稳定性和长期性大幅度提高。观测网内的20套深海潜标、4套大型浮标共千余件观测设备已经稳定获取连续4至5年的观测数据,不断刷新我国观测网获取深海数据的最长时间记录。观测网内观测平台更加多样化,既包含了实时潜标和实时浮标等固定观测平台,也包含了剖面浮标和船载移动观测平台等,实现大洋上层和中深层的全覆盖,并建立了实时观测数据的自动分析和应用平台,服务国家深海科学研究、气候预报预测和海洋环境预报的能力显著增强。  中科院海洋研究所及其相关部门负责人、相关课题组工作人员、科考队员家属到码头迎接返航。   潜标布放夜间作业   回收浮标

科技动态【科技日报】大型环形对撞机:中国CEPC“对撞”欧洲FCC

  2月14日18时,王贻芳院士登上了飞往美国华盛顿的航班。他是要参加美国科学促进会年会,并在大型科学研究设施的全球合作分会上,介绍中国科学家的观点。全球化不仅在经济领域,在科学研究上也很重要,特别是在大型科学研究设施上。  作为中科院高能物理所所长,王贻芳是大型环形正负电子对撞机(CEPC)的主要提出者和推动者。当国内还在质疑这样的大型环形对撞机在科学上是否必要、300亿元的预算是否太高、工程的技术方案是否可行时,欧洲核子研究中心(以下简称欧核)在春节前夕公布了他们的未来环形对撞机(FCC)的《概念设计报告》,计划投巨资分两步建设下一代的超级对撞机。  2012年,中国高能物理学家提出了CEPC计划。然而,计划甫一提出,就在科学界掀起轩然大波。支持者主张超级对撞机是中国高能物理学的一个重大历史机遇,一个能够领跑世界的机会;反对者认为建超级对撞机耗资巨大,性价比不高,在国家科研经费投入总体相对稳定的情况下,这样的工程将会挤占其它研究的份额。  去年11月14日,有上千名世界各国科学家参与的、用时6年的中国CEPC《概念设计报告》完成。  对比中欧方案,可以发现,欧核的FCC与中国的CEPC大同小异:都是周长100公里,都走先电子对撞后质子加速的技术路线。当然,两者的造价不一样,中国的全部费用约为欧核费用的一半左右。中国CEPC的一期工程计划2030年完成,二期工程计划2040年完成;而欧核的FCC一期工程计划在2040年前后完成,二期计划能在2050年代后期投入使用。前后相差基本都是10年。  王贻芳在接受科技日报记者独家专访时说,在工作模式上,欧核的FCC是从低能到高能逐渐增加,而中国的CEPC则可以做到高能低能随时切换。“我觉得CEPC的工作模式更好一些,可以根据不同的科学目标,灵活选择不同的工作模式。而FCC的工作模式却是固定的。”  王贻芳认为,到目前为止,我们还没有与其他国家和地区在最热门和关键的大科学装置上开展过直接竞争,我们更多地是在做填补空白和拾遗补缺的工作。“建设超级对撞机,对中国高能物理来说是一次重大机遇。我们有10年的窗口期,有非常大的把握取得成功,可能改变世界高能物理研究的格局。如果错过这个机遇,我们就只能继续做拾遗补缺的工作了。”  此次公布的欧核方案进一步验证了中国方案的可行性。中国的CEPC计划在国际上首先提出了先电子对撞再过渡到质子对撞这一大型环形对撞机的方案。但这一路径当时并没有得到全球科学家,特别是欧核的认同。“2012年之前,高能物理学家都认为高能加速器未来的发展趋势是直线对撞机,我们提出建设环形对撞机以后,在欧核内部引发了激烈辩论,最后他们才决定把环形对撞机作为发展超级对撞机的参考。”王贻芳说,欧核最初选择的路径是质子对撞机,而不是作为第一步的电子对撞机。  经过5年多的研究,大家逐渐认识到,先电子后质子,无论从科学上还是从技术上,都是最可行的方案。欧核的FCC方案最终也选择了此路线。这从科学和技术两方面证明了中国CEPC设计方案的正确性。  规模大,投资高,但科学前景光明。建还是不建,这是分别摆在中国和欧盟面前的一道选择题。  (原载于《科技日报》2019-02-1501版)