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親愛的,科學家把電池縮小了!

神器級的手機公司Nokia有句經典的廣告詞是這麼說的「科技始終來自於人性」。這句話沒什麼問題,但他忘記補充人性其實充滿了混亂與矛盾,人們常做些自取其辱或是作繭自縛的事。好比說自從手機發明以來,的確帶給人們許多便利,但也產生了必需「被找到」以及「保持通話」等等的心理壓力。

相信每一個人都有不想接電話,或是講手機講到不耐煩的時刻。這時,兼著鴕鳥心態將手機關機,然後說「啊!我手機電池沒電了!」是一個已用到爛但尚不失禮藉口。

科學家們正積極地把這個爛藉口消滅,他們想讓鋰離子電池變得更輕薄短小、更高電量、更人性化。開發新材料一直是這齣「電池演化論」歌劇中的主角,但近年來奈(微)米科技(尺度在10-9公尺大小下操作的技術)的運用,也在這舞台上有亮眼的演出。

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手機越來越小的演化方向,需要輕巧的電池來支持。圖片來源:網路流傳照片,找不到起源 但後來手機又慢慢變大了…

讓電池的電極上帶有微小尺度的結構,可增加電極與電解質接觸的表面積,縮短電解質中離子漂移到電極的平均距離,密緻的結構也讓電池的蓄電力最佳化。如此一來,會提高電池的能量密度(energy density),縮短充電所需的時間,電池也能輸出較高的功率(註)。塗佈奈米材料的電極還可免於電解液的侵蝕,達到延長電池壽命的效果。有了那麼多優點,難怪科學家們無所不用其極地在研發所謂的「奈(微)米鋰離子電池」。

把奈米結構引入鋰離子電池內的研究刻正處於百家爭鳴的時代。比較傳統的,是將奈米氧化物及合金材料鍍(或塗佈)在電極上;再進階的,是直接把電極構造奈米化:有些人借用半導體產業常用的微影技術加上差別蝕刻法,做出矽的奈米溝槽再鍍上電極;有人將聚合物奈米球堆起來,在其上電鍍電極後,再把聚合物蝕刻掉,得到奈米多孔隙的電極;亦有的團隊利用「3D列印」技術印出整齊、立體的微米尺度電極。想要在那麼小的尺度下進行工程,各家手法可說是八仙過海,各顯神通。

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利用聚合物奈米球做的奈米多孔隙電極。 圖片來源:nature communication(論文公開圖片)

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利用3D列印技術的微米電極 圖片來源:Advanced material (論文公開圖片)

上揭種種雖號稱「奈米電池」,實際上是「帶有奈米尺度電極的電池」,單顆電池的大小還是立方公分為單位的等級。近期(2014年11月)馬里蘭大學的研究團隊在《自然-奈米科技》期刊(nature-nanotechnology)發表的研究成果,則展示了貨真價實的奈米電池。他們在郵票大小的面積內,塞進了數億根柱狀電池,形成一個並聯陣列,每一根都有獨自的陰極、陽極和電解液,徑寬則只有250奈米的大小。

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數億根的奈米電池並聯陣列 圖片來源:nature nanotechnology(論文公開圖片)

由於組成這個陣列的數億根奈米電池可做到規格一致,因此並聯效率十分優異。另外,在250奈米大小的尺度下,研究團隊還可於單根電池陰極、陽極兩端,再增加一圈深入奈米管的銣金屬當做電流搜集層,如此擴大了導電帶與電解液的反應面積,也提升了電池的表現。這篇文章的第一作者Chanyuan Liu表示,這種奈米柱電池的並聯陣列可在12分鐘內充飽電,且可重覆使用數千次。

這麼小的電池是利用「陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide, AAO)」製成的蜂巢狀奈米管柱陣列為地基,再以「原子層沉積技術(atomic layer deposition)」在各奈管柱兩端長出電流搜集層及電極,並灌入電解液而完成的。研究團隊認為這樣的構造有大量生產的潛力,希望有朝一日這種電池能邁向商業化的目標。

當然,館主很樂意再解釋什麼是「陽極氧化鋁」及「原子層沉積技術」。然而,在高電量電池真正商業化以前,你知道的,館主的筆電電池快沒電了,還是請各位朋友自行參閱聯結網頁的解說吧!

註:一般而言,電池的功能是儲存電能,輸出的功率(電流乘電壓)不大,相對的,電容有很強的功率,但無法儲存太多電能。故手機、電腦等消費性電子產品的電路中,通常都會有電池及電容,電池供平常使用,跑較複雜的程式時,則由電容提供較大的功率;同樣的,電動車等機具也有電池及電容供一般巡弋及加速使用。因此,若以奈米技術幫助電池打破功率的限制,則可用一個奈米電池取代傳統的電池加電容組合,讓電子產品更輕巧!

參考資料:

  1. 說說奈米鋰電池二次電池“,文/李曉潔,科學研習月刊46-7。
  2. All-Solid-State Lithium-Ion Microbatteries: A Review of Various Three-Dimensional Concepts“,
    Jos F. M. Oudenhoven, Loïc. Baggetto and Peter H. L. Notten*, Advanced Energy Materials Volume 1, Issue 1, pages 10–33,January 1, 2011.
  3. High-power lithium ion microbatteries from interdigitated three-dimensional bicontinuous nanoporous electrodes“, James H. Pikul, Hui Gang Zhang, Jiung Cho, Paul V. Braun & William P. King, Nature Communications 4, Article number: 1732.
  4. 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures“, Ke Sun1, Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jung Yoon Seo, Shen J. Dillon, and Jennifer A. Lewis, Advanced Materials, Volume 25, Issue 33, pages 4539–4543, September 6, 2013.
  5. An all-in-one nanopore battery array“, Chanyuan Liu, Eleanor I. Gillette, Xinyi Chen, Alexander J. Pearse, Alexander C. Kozen, Marshall A. Schroeder, Keith E. Gregorczyk, Sang Bok Lee & Gary W. Rubloff, Nature Nanotechnology 9, 1031–1039 (2014).
  6. A billion holes can make a battery“, Sciencedaily November 10, 2014.
  7. 什麼是陽極氧化鋁“,交通大學潘扶民老師實驗室。
  8. 奈米結構原子級薄膜製程技術“,國家實驗研究院儀器科技研究中心。

本文轉載至吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」