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自我充電的電池能產生與儲存能量

only-perception
・2012/08/31 ・1214字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

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再生能源技術通常包含二種截然不同的過程:能量產生(利用煤、太陽、風等等。)與能量儲存(例如電池)。這種二種過程總是透過二個不同的單元(unit,裝置)完成,第一種過程將原本的能量形態轉換成電,而第二種過程將電轉換成化學能。現在,工程師首度證明,可在單一裝置內產生與儲存能量,那直接將機械能轉換成化學能,繞過中間電力產生的步驟。此裝置基本上作用如同一個混合式發電–電池裝置,或換句話說,一個「自我充電的電池(self-charging power cell)」。

研究者,來自喬治亞州亞特蘭大,喬治亞理工學院的 Xinyu Xue、Sihong Wang、Wenxi Guo、Yan Zhang 以及 Zhong Lin Wang,已將其研究-於單一裝置內結合能量產生與儲存,發表在最近一期的《Nano Letters》上。

「這是一項計畫,在電池技術中引入新方法,在科學上,那是全新的,」Zhong Lin Wang 表示。「這具有一般且廣泛的應用,因為那是一種不僅能收成能量還能將之儲存的裝置。那不需要一個固定插在牆上的 DC 電源為電池充電,那大多數用來驅動小型、可攜的電子裝置。」

為製造自我充電的電池,研究者從硬幣型鋰離子電池開始,將一般用來分離二電極的聚乙烯(PE)隔離膜替換成聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。身為一種壓電(piezoelectric)材料,施加壓力時 PVDF 薄膜會產生電荷。因其位置介於電池二電池間,PVDF 薄膜會導致帶正電的鋰離子從陰極遷移到陽極,以維持整個電池的電荷相等。這種離子遷移過程,在不需要任何外部電壓源的情況下,改變了電池;因為 PVDF 隔離膜提供電壓,或二電極間的勢能差異,這電池本質上是自我充電的。

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為了要對隔離膜施壓,研究者將硬幣大小的電池裝在鞋底,並發現走動就足以產生足夠的壓縮能替電池充電。頻率 2.3 Hz 的壓縮力,可在 4 分鐘內使裝置的電壓從 327 增加到 395 mV。增加 65 mV 顯然比傳統設置的 10 mV 更高,在傳統設置中,電池被分離成 PVDF 壓電發電機與具有傳統 PE 隔離膜的鋰離子電池。這樣的改善證明在一個步驟內達到「機械能至化學能」的轉換,比「機械能至電能」以及「電能至化學能」這種用來替傳統電池充電的二階段過程更有效率。

一旦達到電極間的新平衡,自我充電過程即終止。當所施加的壓力釋放後,電池開始供電,因壓電場(piezoelectric field)消失,而鋰離子能從陽極擴散回陰極,以達到新的平衡。一如在傳統的鋰離子電池中,離子擴散涉及電化學的還原/氧化反應,那在這裡產生約 1 μA 的電流,能供電給小型電子裝置。

「在所施的壓力移除後,鋰離子並不會立刻回流,因為它與陽極材料形成新的化合物(LiTiO),」Zhong Lin Wang 說。「電荷的保存與傳統的電池一樣。之後需要電力時,它們才釋出。」

雖然這些電壓與電流很低,不過研究者證明,電池也能以更高的電壓(約 1.5 V)自我充電,那使得它適用在更廣泛的應用中。研究者預測,透過數種修改(例如使用彈性外殼,藉此使壓電材料的變形更大),他們能更進一步改善電池效能。

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資料來源:Self-charging battery both generates and stores energy. phys.org [August 17, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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要利用光能還是熱能?小孩子才做選擇,我全都要!——全光譜太陽綠能永續系統
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/22 ・6471字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/林承勳
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

有效利用太陽的光能和熱能

能源減碳已是國際趨勢,近年政府積極開發再生能源,逐年增加發電比例,而太陽能深具開發潛力。新興的鈣鈦礦太陽能電池是目前的研究熱點,不僅製造成本較低,單片發電效率已可達到 25%,逐漸趕上主流單晶矽太陽能電池的 26%。中央研究院「研之有物」採訪院內應用科學研究中心研究員朱治偉,他與研究團隊試圖開發一個小型的全光譜太陽能系統,讓光電轉換效率最好的波段被鈣鈦礦太陽能電池吸收,其他波段的光會穿過半透明的材料面板,抵達下層的集熱管,讓多餘太陽熱能可以回收再利用。

臺灣發展再生能源的關鍵:太陽能

太陽能是目前最為普遍的再生能源之一。近年來,臺灣的太陽能建設有逐步增加,且經濟部已訂下在西元 2025 年,國內再生能源發電量要佔總發電量 20% 的目標,其中太陽能發電量還要達到 20GW(1GW = 10 億瓦)的規模。

除了政府與業者的大型太陽能專案,太陽能發電對於公司行號或是一般社區大樓也有其誘因。樓頂架設太陽能裝置不但可以隔熱、防漏水,每年產生的電力也能由政府以較高的價格收購,創造額外利潤。然而太陽能發電在現階段還有許多缺點等待解決,像是發電裝置在購買設備時就必須先投入大量的建造成本,之後才逐年發電回收。

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太陽能發電裝置體積龐大、極占空間,以目前市佔率最高的單晶矽太陽能電池來說,裝置架設完成後就沒有辦法再任意移動,如果遭逢颱風或地震等臺灣常見的天災,無法搬至安全處的太陽能板很有可能受到嚴重損傷。此外,機器也要定期保養維修,否則當灰塵逐漸堆積、器材日漸老舊,發電效率也會一點一點地下降。

矽晶太陽能電池裝置昂貴、笨重且無法移動,需要定期清洗,否則當灰塵逐漸堆積,發電效率也會一點一點地下降。圖/iStock

好消息是,單晶矽太陽能電池笨重、易碎而無法隨意重組的缺點,在未來很有機會用新型「鈣鈦礦材料」來克服。鈣鈦礦材料可以做成薄膜,附著在可撓曲的軟性基材上。如此一來,鈣鈦礦太陽能電池可以收捲攜帶,便利性遠勝過單晶矽太陽能電池。

朱治偉舉高雄愛河上現有的電動船為例,船上架設的是單晶矽太陽能板,而光是一個面板就重達三十到四十公斤,二十片總共八百公斤。「船雖然能夠自主發電,但發電量還不夠驅動機台本身的重量。」朱治偉笑著說,如果用鈣鈦礦太陽能電池替代,不但能大幅減輕重量,在天氣不好時還能將發電裝置取下,騰出空間做其他用途。

朱治偉手持鈣鈦礦太陽能電池,單片面板就包含許多個元件,其中一小塊就是一個發電單元,端看目標電流與電壓來決定諸多電池要串聯或並聯。圖/研之有物

發電效率大比拼:鈣鈦礦電池 vs. 單晶矽電池

除了裝置的便利性之外,太陽能光電轉換效率也是使用時需考量的一大要素。朱治偉指出,單晶矽太陽能電池單片面板在實驗室的發電效率可達 26%,但進到後段模組後,由於需要多片、大面積組裝,並經由導線串聯和並聯,過程中都會產生電阻導致電量損失。實際運作起來,效率只剩下 22%~23%。

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鈣鈦礦材料的出現,讓單晶矽受到極大挑戰。以發電效率來說,鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的效率可達 25.8%,幾乎跟單晶矽不相上下。雖然鈣鈦礦技術還在研發階段,尚未真正投入市場應用,但以小面積材料測試的實驗數據來說,學界與業界都對其發展潛力寄予厚望。

鈣鈦礦材料的另一項優勢在於,原料非常容易取得,且生產過程耗能與成本都相對低廉。「相較之下,目前發電效率稍微占優勢的單晶矽,是個高耗能、高污染的產業。」朱治偉指出,光是要提煉出矽元素,就得先用高溫把原料的砂熔化,接著在昂貴設備的高溫環境中緩慢結晶。

「而且單晶矽材料對於缺陷的容忍度很低。」朱治偉補充說道。所謂缺陷容忍度,就是材料在結晶時,有缺陷出現對於功能、效率的影響程度。

單晶矽在結晶過程中,原子排列越整齊、純度越高,缺陷就會越少,如此一來,電子在整齊的晶格裡可以很順暢地流動;一旦晶體排列不整齊、有缺陷產生,電子流動就會受到阻礙,讓材料發電效率變差。單晶矽對於缺陷的容忍度很低,缺陷會嚴重影響到單晶矽電池發電效率,因此結晶純度要求 99.9999% 以上。

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當矽結晶完後接著要切成薄片,切片時會損耗材料並產生大量粉塵,切完還得進入複雜的半導體製程,不但需要高溫且耗水,還需使用到有毒溶劑。雖然科技廠會將高汙染的排放物先處理到合乎排放標準,但這些製程都需要投入大量的能源跟水。

單晶矽的製程需要耗費大量的能源和水,而且單晶矽對於缺陷的容忍度很低,為了不影響太陽能電池發電效率,結晶純度要求到 99.9999% 以上。圖/Wikimedia Commons

鈣鈦礦材料:高缺陷容忍度、高發電效率、溶液式製程

鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高,即使結晶缺陷是單晶矽的幾百、幾萬倍,都還能有很高的發電效率。「而且鈣鈦礦電池在天氣不好、低照度或是室內時依然能夠持續發電。」朱治偉提到,單晶矽電池在陰天幾乎完全不發電,而鈣鈦礦電池受影響程度較低,仍可繼續發電。

另外,單晶矽電池基本上沒辦法在室內使用,因室內照明環境為低照度、光的波段很狹窄,整體能量會偏低。但是鈣鈦礦電池不但可以使用,其轉換效率可達 30% 以上,可以驅動電力需求低的元件,例如物聯網裝置等。

「更方便的是,鈣鈦礦材料可以溶解在有機溶劑裡。如果使用溶液製程,就能快速、大面積的製作。」朱治偉提到,等到未來技術成熟,就像是在印刷報紙一般,將含有鈣鈦礦材料的溶劑當作墨水,用印刷方式就能快速生產太陽能電池。

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設備建造簡易、材料取得方式環保,如果還能大面積快速印刷來降低製作成本,鈣鈦礦太陽能電池可以說是集各種優點於一身。

不過,鈣鈦礦電池還是有些缺點亟待改善,像是本身材料的穩定性,導致電性上會出現遲滯現象,造成發電量有不穩定、時高時低的問題。此外,由於鈣鈦礦材料是離子材料,一碰到水就會解離,解離後會縮短使用壽命。

鈣鈦礦材料是一種離子材料,結構通式為 ABX3,A 和 X 的位置會分別放入陽離子和陰離子,B 的位置通常會放鉛離子。離子材料在有水氣的環境中容易降解。圖/研之有物

朱治偉指出,想要避免水分接觸到鈣鈦礦材料,能用封裝技術來解決。而穩定性問題則要在一開始長晶時著手。像是藉由添加其他離子促進長晶品質,讓結晶更加緊密結合。只要長晶時越整齊、缺陷越少,電子就能輕易地被導出,電流高、效率穩定,遲滯現象就能減少。「鈣鈦礦太陽能電池還有一個問題,就是裡面含有微量的鉛元素。」朱治偉說,雖然使用量非常少,但鉛終究是有毒的物質,若外洩還是有可能對接觸者造成傷害。目前同樣可以用封裝技術來避免鉛元素外漏,但期待未來有機會能找到其他安全的元素來替代鉛的角色。

小孩子才做選擇,我全都要!

太陽光的波長​分佈從 300 到 2700 奈米都有。一般單晶矽太陽能電池只能吸收 300 到 1100 奈米的光,1200 奈米以上的波段皆無法利用,有些被反射到環境當中,有些則是轉換成熱能。

熱能累積在矽晶板裡面,會影響發電效率。「矽晶板溫度每上升 1°C,效率就下降 0.3%。」朱治偉指出,大太陽底下矽晶板的溫度會達到約 80°C,比室溫高約 50°C 左右,這將導致發電效率降低 15%。

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相較於不透光的矽晶板,鈣鈦礦太陽能電池能做成半透明的薄膜,將透過的陽光做其他運用。因此,中研院全光譜太陽綠能永續計畫採用的組合是:半透明鈣鈦礦太陽能電池搭配集熱管,以便充分利用太陽能。

「我們用新開發的分光鏡,從 800 奈米波長的地方將太陽光一分為二,800 奈米以下的光直接給鈣鈦礦太陽能電池發電,800 奈米以上的光讓集熱管吸收,產製出熱水。熱水經過吸附式致冷系統(absorption chiller system),透過巧妙的蒸發原理設計,將外部冷水致冷,產製出冰水供大樓使用,剩下的溫熱水則供日常盥洗使用。」朱治偉說道。

用 800 奈米劃分,因為鈣鈦礦太陽能電池在 300 到 800 奈米這段波長時,約有 90% 的光電轉換效率。而 800 奈米以上的波段經集熱管轉成熱能,效率可達到 97%~99%;反之,800 奈米以下的光熱轉換效率則不佳。

全光譜太陽綠能永續系統示意圖。圖/研之有物(資料來源/朱治偉)

將不同波長的光,導向適合的元件

上面提到的「分光鏡」,全名為平面光譜分光模組,這是中研院開發的實驗模組,使用具有光波長選擇的導光板,將不同波長的光導向適合的元件。

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這種導光板的作用原理,是經由奈米結構設計來決定要將哪些波段的光引導到哪個方向。在全光譜太陽綠能永續計畫中,是以 800 奈米的波段來區分。

把導光板鋪在太陽能集熱管上,800 奈米以上的光就穿透導光板照到集熱管,800 奈米以下的光就回收,引導到側邊,照在鈣鈦礦光電轉換元件上。

「將鈣鈦礦太陽能電池做在可撓曲的面板上,搭配時就能增加很多使用彈性。」朱治偉提到,脆弱的單晶矽電池受到重壓或劇烈震動就會碎裂,但是鈣鈦礦電池的機械性質很好,結構不易被破壞。

即使大樓樓頂有障礙物,或是要根據導光板的設計在不同方位擺放太陽能電池,鈣鈦礦電池都可以彈性搭配,使用時攤開、不用時就收捲起來。而且鈣鈦礦電池還可以依物體的弧度來配合製造,很適合用在 3C 產品、汽車、電動車的充電上,未來發展具備各種可能性。

目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統,而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中,也證明小面積發電確實可行。

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不過,想要量產出大面積的鈣鈦礦太陽能電池,單靠學界的製造能量來說有些困難。國內雖然有廠商在研發鈣鈦礦電池,大多沒有真正投入量產。「歐洲跟美國的公司願意投入大量經費研發產製;臺灣普遍的氛圍是傾向等待有明確的研究成果出現,再加入量產行列。」朱治偉說。

圖中機器為吸附式致冷系統。目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統,而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中,也證明小面積發電確實可行。圖/研之有物

科技帶來改變,前景令人期待

與世界各國相比,臺灣電價相對便宜,且用電量相當龐大。根據經濟部能源局的統計資料, 2021 年臺灣總用電量超過 2800 億度,而目前臺灣發電有將近八成是使用化石燃料的火力發電。低電價導致缺乏節電誘因,高用電需求又使火力發電持續高碳排。根據 Our World in Data 資料,2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸,為全世界人均排放量的 2.52 倍,名列第 22 名,人均排放量高於日本、德國、新加坡與法國。

2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸,為全世界人均排放量(4.69 噸)的 2.52 倍,名列第 22 名,人均排放量高於日本(8.56 噸)、德國(8.08 噸)、新加坡(5.47 噸)與法國(4.74 噸)。圖/Our World in Data

以臺灣的國土面積與經濟規模來說,如此高碳排量代表臺灣的減碳之路還有很大的努力空間。朱治偉指出,目前國內能源有 97% 倚賴進口,若是不努力研發再生能源,對於經濟發展或是國防安全都不會是好現象。

以地熱來說,菲律賓地熱技術的起步比臺灣晚,發展卻非常成功。「臺灣跟菲律賓的地形很相似,發展地熱應該也非難事。」朱治偉表示,即使有學者認為臺灣難以發展再生能源,但在科技發展之下,很多事情都有可能發生。

朱治偉舉例,2014 年得到諾貝爾物理學獎的發光二極體(LED)技術,就是一個科技改變世界的範例,人類得以用新的方式產生高亮度白光。LED 的耗電量僅有白熾燈泡的十分之一,大大改變光照能源的運用。

朱治偉樂觀地指出,就算當前被評估不可行的地熱、風能或海洋能,只要科技持續進步都有機會逐漸實現,新興的鈣鈦礦太陽能電池也是科技進步的一個見證。

鈣鈦礦電池在 2009 年被日本科學家發現時,發電效率其實只有 3%;十年過後,鈣鈦礦電池卻即將追上單晶矽電池發展近百年才達到的效率規模。而且鈣鈦礦材料還可以添加其他離子元素,產生結構變化來影響電性或光性,這個特點讓鈣鈦礦電池未來的發展潛力無窮,也是單晶矽電池完全無法比擬的。

「雖然有些學者不看好,但我相信日新月異的科技在未來能夠改變現狀,讓環境問題慢慢得到改善。」朱治偉說。

聽說高溫會影響太陽能電池的效率?

太陽能電池效率會隨著溫度的上升而下降,下降程度與選用的材料有關。因此太陽能電池效率的標定均在攝氏 25°C。

一般來說,太陽能電池每升高 1°C,會降低整體效率的 0.4% 至 0.5%。溫度過高不僅會降低太陽能電池的效率,也會減低其使用壽命。為了降低溫度過高的影響,建議安裝太陽能板時盡量在底下預留足夠的通風空間,來提高散熱效率。

近期科學家開發出新穎的水凝膠材料,將其貼附於太陽能板背面,利用晚間從大氣吸收和儲存水分。當白天太陽能電池溫度升高時,儲存在水凝膠中的水分便會蒸發,從而降低太陽能板的溫度,如此就可以維持太陽能電池的發電量與延長其使用壽命。

目前的鈣鈦礦電池並不穩定,未來可以如何改善?

鈣鈦礦薄膜材料在形成的過程中,不可避免地會形成大量的淺層能階缺陷(如元素空缺、間隙缺陷和反位替代)與深層能階缺陷(如元素錯位、晶界和沉澱物)。鈣鈦礦薄膜材料雖然可以容忍比較多的缺陷,但是這些缺陷就是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩定的最主要因素。

目前在改善鈣鈦礦材料穩定性的研究方向,大致分為兩類:第一類是改變薄膜製程方式來降低缺陷的形成,如兩步驟成膜方式(two-step method)和反溶劑(anti-solvent)製程。第二類是開發多功能分子,鈍化鈣鈦礦材料中不同類型的缺陷,例如以路易斯酸與路易斯鹼、烷基胺鹵鹽、兩性離子、無機鹽類和離子液體來鈍化缺陷。

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越南車廠將撼動特斯拉電動車地位!?誰能在電池戰中獲勝?
PanSci_96
・2023/02/26 ・2723字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2022 年 12 月,來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港,敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast,眾多車廠像是通用汽車(General Motors)或是來自中國的比亞迪等,都拿起籌碼坐上桌,準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼,就是自家生產的電池。

氫與鋰,都幾?

在電動車產業中,要掌握電動車,就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35~40% 的成本,選擇不同種類的電池,更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得,在十幾年前,與電動車角逐未來「環保車」位置的,還有氫能車。

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氫與鋰的競爭勢必發生,它們排在元素週期表最前面,原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克,比水還要輕,代表在相同的重量下,可以放入更多的原子,攜帶更多的電量,這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小,在燃料電池中的能量轉換效率也不錯,因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是,就現在技術成熟度來說,明顯是鋰離子電池獲勝,不論是手機、電動車還是大型儲電設備,到處都見得到鋰離子電池的身影。

手機也是使用鋰離子電池。圖/Envato Elements

鋰離子電池

1970 年代,英國化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)發明了第一個可以充放電的鋰離子電池,其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中,金屬鋰會在負極丟下電子,以鋰離子的狀態移動到正極,並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉,電路中的電子則會從負極流往正極,完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰,因此,在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中,會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚(Lithium Dendrite),當晶鬚因為反覆充放電變的更長,甚至會戳破電池的保護層,導致短路爆炸。

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好在後來美國的古迪納夫(John B. Goodenough)與日本的吉野彰(Akira Yoshino),分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物,負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料;整顆電池不再有純金屬鋰,只有鋰離子在電解液中移動,確保了安全性,讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰,在 2019 年抱回諾貝爾化學獎,實至名歸。

2019 年諾貝爾化學獎,頒給了孕育出鋰離子電池的三位科學家。圖/The Nobel Prize

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後,至今沒有太大的變化,鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上,我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名,例如:將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物,則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在,陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池,也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外,加進了鎳、鈷、錳三種元素,具有高容量、低成本的巨大優勢。

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除此之外,材料學家發現,如果提高鎳含量,可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池,其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280~300瓦時(280~300 Wh/kg),相較之下,馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時(140~150 Wh/kg),僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢?就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外,只需要常見的鐵跟磷,完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷,在俄烏戰爭爆發之初,由於俄羅斯是鎳的生產大國,導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%,大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外,相對三元電池,磷酸鐵鋰電池不僅成本低,安全性也較高。

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除了特斯拉,在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛!比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池,並且透過物理結構的改良,在不過多改變材料的情況下,增加相同體積中的電容量。

特斯拉電動車用的是磷酸鐵鋰電池。圖/Wikipedia

次世代電池,Taiwan can help?

科學家預估,鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時,三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離,因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時,鋰離子電池的 40 倍!

先別失望!隨著科技進步,鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月,Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表,將在 2024 年導入固態鋰電池,用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半,去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險;更重要的是,固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時,是三元鋰電池的兩倍,車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待,除了 Gogoro 以外,輝能科技也宣布結盟 VinFast,可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

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這邊有個更好的消息,超越固態電池,能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬,正極則替換為氧氣或二氧化碳,成為鋰氧氣電池(Li–O2 Battery),或是鋰二氧化碳電池(Li–CO2 Battery);用氣體取代了原先沉重的金屬正極,大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發,一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題;但至少在過去 20 年,鋰電池遇到的困難已經多次被解決,電化學儲能的方式大有可為。

電動車的發展持續受到關注。圖/Envato Elements

不論是市場上電動車的銷量年年攀升,還是各國政府、車廠的全力投入,電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車,甚至是全新型態的交通工具,都令人期待。而在工業製程與材料改革中,「電動車是否真的有比較環保」這個問題,也希望能有個解答。

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自我充電的電池能產生與儲存能量
only-perception
・2012/08/31 ・1214字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

再生能源技術通常包含二種截然不同的過程:能量產生(利用煤、太陽、風等等。)與能量儲存(例如電池)。這種二種過程總是透過二個不同的單元(unit,裝置)完成,第一種過程將原本的能量形態轉換成電,而第二種過程將電轉換成化學能。現在,工程師首度證明,可在單一裝置內產生與儲存能量,那直接將機械能轉換成化學能,繞過中間電力產生的步驟。此裝置基本上作用如同一個混合式發電–電池裝置,或換句話說,一個「自我充電的電池(self-charging power cell)」。

研究者,來自喬治亞州亞特蘭大,喬治亞理工學院的 Xinyu Xue、Sihong Wang、Wenxi Guo、Yan Zhang 以及 Zhong Lin Wang,已將其研究-於單一裝置內結合能量產生與儲存,發表在最近一期的《Nano Letters》上。

「這是一項計畫,在電池技術中引入新方法,在科學上,那是全新的,」Zhong Lin Wang 表示。「這具有一般且廣泛的應用,因為那是一種不僅能收成能量還能將之儲存的裝置。那不需要一個固定插在牆上的 DC 電源為電池充電,那大多數用來驅動小型、可攜的電子裝置。」

為製造自我充電的電池,研究者從硬幣型鋰離子電池開始,將一般用來分離二電極的聚乙烯(PE)隔離膜替換成聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。身為一種壓電(piezoelectric)材料,施加壓力時 PVDF 薄膜會產生電荷。因其位置介於電池二電池間,PVDF 薄膜會導致帶正電的鋰離子從陰極遷移到陽極,以維持整個電池的電荷相等。這種離子遷移過程,在不需要任何外部電壓源的情況下,改變了電池;因為 PVDF 隔離膜提供電壓,或二電極間的勢能差異,這電池本質上是自我充電的。

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為了要對隔離膜施壓,研究者將硬幣大小的電池裝在鞋底,並發現走動就足以產生足夠的壓縮能替電池充電。頻率 2.3 Hz 的壓縮力,可在 4 分鐘內使裝置的電壓從 327 增加到 395 mV。增加 65 mV 顯然比傳統設置的 10 mV 更高,在傳統設置中,電池被分離成 PVDF 壓電發電機與具有傳統 PE 隔離膜的鋰離子電池。這樣的改善證明在一個步驟內達到「機械能至化學能」的轉換,比「機械能至電能」以及「電能至化學能」這種用來替傳統電池充電的二階段過程更有效率。

一旦達到電極間的新平衡,自我充電過程即終止。當所施加的壓力釋放後,電池開始供電,因壓電場(piezoelectric field)消失,而鋰離子能從陽極擴散回陰極,以達到新的平衡。一如在傳統的鋰離子電池中,離子擴散涉及電化學的還原/氧化反應,那在這裡產生約 1 μA 的電流,能供電給小型電子裝置。

「在所施的壓力移除後,鋰離子並不會立刻回流,因為它與陽極材料形成新的化合物(LiTiO),」Zhong Lin Wang 說。「電荷的保存與傳統的電池一樣。之後需要電力時,它們才釋出。」

雖然這些電壓與電流很低,不過研究者證明,電池也能以更高的電壓(約 1.5 V)自我充電,那使得它適用在更廣泛的應用中。研究者預測,透過數種修改(例如使用彈性外殼,藉此使壓電材料的變形更大),他們能更進一步改善電池效能。

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資料來源:Self-charging battery both generates and stores energy. phys.org [August 17, 2012]

轉載自 only perception

文章難易度
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D