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在奈米尺度下探索鋰空氣電池的可逆性

only-perception
・2012/09/04 ・1722字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

一如其名所暗示的,鋰空氣電池(Li-air batteries)利用空氣來運作,拉出氧分子以用於多孔、碳基的陰極,而陽極則用鋰。因為用的是空氣,意味這種電池不需要在陰極存放沈重的電荷源,所以該電池能提供極高的能量密度,幾乎與相同體積汽油所能提供的能量相當,是鋰離子電池的 5-10 倍以上。儘管有這些誘人之處,鋰空氣電池仍面臨諸多限制,有個研究團隊已著手對付其中一向挑戰:可逆性(reversibility),這對可重複充電多次的電池來說是必要的。

研究者,田納西州 ORNL 的 Thomas Arruda、Amit Kumar、Sergei Kalinin,以及 Stephen Jesse,已在最近一期的 《Nanotechnology》上發表一篇論文,在其中,他們探索控制粒子之可逆性的因素。這些粒子生長在電解質上,那構成鋰空氣電池與奈米電池的基礎。

「在材料系統中,範圍從鋰空氣電池到更加確立的領域,例如(電化學)腐蝕、電鍍及其他眾多領域,我們認為這項新研究替不可逆或準可逆(quasi-reversible)奈米級電化學的研究鋪路,」Kalinin 表示。

「最初的鋰電池(無法充電且用完即丟)具高能量密度,且從 1960 年代以來都能在市面上購得;然而,它們只能用一次,」Arruda 說。「為了要使這些電池能與,例如石化燃料(即汽車應用)競爭,它們需要被重複充電數百次,不然也要有數千次。考慮到通勤者平均每週加油一次。這等於十年間要裝 500 次以上。對一個汽車鋰空氣電池而言,將需要符合這項標準,即便不考慮成本或其他重要指標(metrics)。事實上,一如領導性電池專家在密集審查後所提出的證據,可逆性對鋰空氣電池來說,仍是一個最重要且最難達成的任務。」

使用一個充飽電的鋰空氣電池時,陽極中的鋰離子會移動到陰極,在此它們經由氧化還原反應與氧產生反應。來自反應的電子接著被收穫並用來供電給電子裝置。將電池重新充電後,鋰離子必從陰極移回陽極。如研究者的解釋,鋰空氣電池之所以如此難以充電的原因是,因為這種電池結合了電池與燃料電池中,最困難的過程。

「構成這些過程的基礎是大量不受歡迎的化學物質,諸如難溶解的反應產物(LiOx,鋰氧化物)、緩慢的反應動力學以及金屬鋰不受歡迎的、幾乎與每樣東西起反應的傾向,」Jesse 說。「以陽極為例,鋰離子電沈積(electrodeposition)到金屬鋰,常伴隨著針狀鋰粒子的形成,那稱為樹枝狀結晶(dendrites,譯註:生物學中稱樹突)。這些粒子對電池產生的負面影響是 (1) 導致與陽極失連,因而無法參與反應,以及 (2) 增加內部短路的風險,那會導致熱耗散與火災。在陰極,氧化還原反應對鋰空氣電池來說,與燃料電池一樣,都是一大挑戰。當這二種反應結合起來,它們形成一種難溶產物的混合物,那難以逆向反應且最終會使陰極毒化(choke)。」

在他們的研究中,研究者使用原子力顯微鏡(AFM),透過分析鋰粒子的生長,來研究電池可逆性。當掃描 20-nm AFM 探針在鋰離子導電玻璃陶瓷電解質(conductive glass ceramic electrolyte)表面上的偏移時,他們在此一週而復始的過程中量測到探針高度的變化。他們發現,探針高度的增減與電流變化相關,讓他們能證明「可逆性的存在」以及測繪不同位置上的「可逆性程度」。

在未來,研究者希望更進一步改善可逆性,並提到,當鋰空氣電池商業化前,它們仍會面臨許多其他的挑戰。

「鋰空氣電池所有主要元件的技術發展與系統工程,都是讓這項科技上市所需要的東西,」Kalinin 說。「陰極需要更好的催化劑,鋰陽極在不損及功能的情況下獲得保護,仍最重要,另外優異的多功能電解質也需要開發。在最基礎的層次上理解關鍵電池元件的基礎過程的必要性,仍屬最優先考慮的事。只有在達到基礎過程的綜合理解後,化學家才能夠微調、系統才能夠經過適當的改造以符合應用所需的衡量標準。」

如果研究者能克服這些挑戰,鋰空氣電池有潛力為各類廣泛的應用儲存能量。

「若鋰空氣電池能被實現,首要應用將會是運輸與其它需要行動力的情況(例如:膝上型電腦等),因為那對於它們所儲存的能量數量而言,可說是非常輕量,」Arruda 表示。「最佳化鋰空氣電池,以包含大量充放電循環,將削減成本,並使不需要像目前那樣使用一堆沈重電池的全電動車成真。在這之後,可以很容易展望這項技術(鋰空氣奈米電池)被應用在 MEMS 與 NEMS。這些系統也許是使用這種能源的理想系統,因其能量需求十分低,所能運作的時間更久。」

資料來源:Researchers explore Li-air battery reversibility on the nanoscale. phys.org [August 8, 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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糖漿加了小蘇打粉就膨漲?解析《魷魚遊戲》中的椪糖製作原理

Evelyn 食品技師_96
・2021/10/27 ・2842字 ・閱讀時間約 5 分鐘

超夯韓劇《魷魚遊戲》近期成為熱門討論話題,尤其椪糖關卡使南韓童年美食遊戲「戳椪糖」爆紅,劇情中玩家必須使用牙籤將椪糖上的圖案取下來,若失敗可是會直接被開槍爆頭,不過在臺灣其實也有很相似的古早味的零食椪糖喔!

韓式椪糖。圖/WIKIPEDIA by 도자놀자

臺南人的童年零食——古早味椪糖

椪糖,又名膨糖、發財糖、泡糖,是四、五年級生臺南人的童年零食。那個年代生活單純,還沒有太多的娛樂、精緻美食可供選擇,在廟口歌仔戲、布袋戲戲棚下煮椪糖的攤販,是當時孩童的娛樂及零食來源。

剛煮好的椪糖長得就像胖嘟嘟的核桃酥餅,吃起來焦香酥脆、入口即化,雖然只是純粹的甜味,在物質稀缺的當時,已經十分幸福了。

而椪糖的製作流程很簡單,將砂糖或二砂與水倒入大湯勺中,置於爐火上加熱並攪拌,至糖漿變成紅褐色時,加一點小蘇打粉至大湯勺中拌勻,糖漿便會迅速膨脹鼓起,待其冷卻定型後即完成。

而韓國的椪糖與臺灣的椪糖作法及原理大同小異,只是塑形的方式不太一樣,韓版的會壓扁再壓上圖案,弄成扁扁的薄餅狀;臺版的就讓他自然膨脹成球狀,表面帶點裂痕,模樣也是十分討喜可愛。

台式椪糖。圖/WIKIPEDIA

影響椪糖質地最關鍵的因素——溫度

若有做過椪糖就會知道,小蘇打粉加進去的時機點很重要,太早或太晚皆會導致成型失敗,這是為什麼呢?因為加熱溫度是影響糖的結晶、軟硬度和焦糖化的主要因素,不同的加熱溫度,糖的結晶狀態、質地和色澤都會不同。

糖液在加熱時,會有兩種情況發生:

  • 一、水分不斷蒸發,使溶液濃度增加。
  • 二、隨著溶解的糖增加,沸點會不斷上升,因此糖液的溫度要小心控制。

「糖液的濃度」與最後成品的「軟硬度」有直接關係,濃度不夠會過軟,椪糖表面無法形成保護殼而無法膨脹成型;濃度過高會過硬,椪糖膨脹不易,容易縮小或塌陷。

而當糖液加熱至攝氏 130 度左右時滴入冷水中,會形成能保持形狀且具可塑性的硬球,這時候糖液的質地是能讓椪糖膨發效果最佳的狀態,因此不會用肉眼判斷添加小蘇打粉至糖漿的好時機沒關係,可以在加熱的同時,使用專門測糖液的溫度計測量糖溫就可以了!

東京淺草的街頭小販手工製作椪糖。圖/WIKIPEDIA

糖怎麼轉變成令人誘惑的焦糖色呢?

說到糖的加熱,就不得不提到焦糖化反應(caramelization)了,它是自催化的非酵素性褐變(non-enzymatic brownin)反應,指的是蔗糖這類的小分子醣類於高溫環境發生脫水、聚合的反應,顏色逐漸轉變成金黃、淺褐至深褐色的產物 (通稱為焦糖) 的過程。

這個過程非常複雜,反應溫度通常在攝氏 120 度以上,在酸性與鹼性環境下均會發生。在食品工業上可製造成焦糖色素,作為食品添加物使用,常添加於醬油、糖漿、可樂或酒類等食品中。

焦糖的色澤會隨加熱溫度及時間的增加,由金黃、琥珀、淺褐、褐、深褐色至焦黑碳化;味覺的變化則是先為甜味,隨著顏色加深逐漸轉至苦味,最後甚至可能出現辛辣味。 

攝氏 130 度的糖液大概是呈現淡淡的金黃色,不過這是單純以細砂糖製作來看,若使用二砂製作椪糖的話,那糖液一開始就會是呈現金黃色了。

糖漿色澤與溫度的變化。圖/參考資料 4

椪糖膨脹的關鍵——碳酸氫鈉遇熱分解

在加熱攪拌過程中,糖液已經拌入許多空氣,隨著加熱空氣持續在膨脹,水氣也一直持續蒸發,直到糖液加熱到攝氏 130 度的糖漿時,須離開熱源並加入小蘇打粉。

小蘇打粉即是碳酸氫鈉(sodium bicarbonate),受到高溫直接分解產生大量二氧化碳氣體。最外層接觸到空氣的糖液最先冷卻,變硬形成保護殼,椪糖膨脹隆起,待膨脹停止後,內部的構造就形成具有許多小氣孔的蓬鬆質地。

椪糖會不會致癌?

就從焦糖化反應可製造出焦糖色素的標準來看,聯合國農糧醫藥食品添加物專家聯席委員會(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA)將焦糖色素分成四類:

第一類:普通焦糖 (plain caramel)

第二類:亞硫酸鹽焦糖 (sulfite caramel)

第三類:銨鹽焦糖 (ammonia caramel)

第四類:亞硫酸-銨鹽焦糖 (sulfite ammonia caramel)

不同類別的焦糖色素,具有不同的焦體電荷、安定性與色度,用途亦各不相同。我國針對這四類焦糖色素有明確訂定,規範細節可見衛福部食藥署公告的食品添加物使用範圍及限量暨規格標準[8]

數十年來眾多針對焦糖色素所進行的毒理學研究,特別是安全疑慮比較高的第三類及第四類焦糖色素,都發現焦糖色素不具基因毒性、遺傳毒性與致癌性,確認焦糖色素是安全的食品添加物。

加上椪糖才加熱到攝氏 130 度,焦糖化反應影響因素很少,所以吃椪糖其實不必太過擔心致癌風險。

可樂、醬油經常添加焦糖色素。圖/WIKIPEDIA

跟致癌比起來,你比較需要擔心熱量

比起擔憂致癌疑慮,椪糖的熱量才是比較需要注意的地方,畢竟它幾乎都是由精製糖所製成。

我國衛福部國民健康署建議「精製糖建議攝取上限為 10% 以內,例如:總攝取熱量若為 2000 大卡,精製糖攝取量就不宜超過 200 大卡,每日精製糖攝取量最好能控制在 50 克以內。」最佳的情況,是每日不超過 25 克,其實就相當於一個椪糖 (20 克上下) 的重量了。

所以當你開心吃著好吃又好玩的椪糖時,還是要記得別吃太多,以避免攝取過多的精製糖及熱量,而賠上健康喔!

參考資料

  1. 國立台中教育大學科學教育與應用學系 科學遊戲實驗室,膨糖:http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-005.html
  2. 施明智 (2021)。食物學原理 (第三版)。新北市:藝軒圖書出版社。
  3. Mcdowell, E. J. (2015) Everything You Need to Know to Make Caramel Candies at Home. Retrieved from https://food52.com/blog/12212-everything-you-need-to-know-to-make-caramel-candies-at-home (Oct 10, 2021)
  4. 徐若瑄 (2017)。利用科學方法研究古早味椪糖。中華民國第 57 屆中小學科學展覽會。新北市。
  5. 戴士傑,2006。焦糖化產物的特性及其與酚類物質交聯程度之探討。國立屏東科技大學食品科學系碩士學位論文。屏東。
  6. 張月櫻,焦糖色素與 4-MEI (4-甲基咪唑) 說明稿 (2013)。檢自https://www.food.org.tw/TW/DisquisitionDetail.aspx?DisquisitionID=iZcsl/uRyXg= (Oct 10, 2021)
  7. 衛生福利部食品藥物管理署,食品添加物使用範圍及限量暨規格標準 焦糖色素 (2013)。檢自https://consumer.fda.gov.tw/Law/FoodAdditivesListDetail.aspx?nodeID=521&id=854 (Oct 10, 2021)
  8. 灃食公益飲食文化教育基金會,精製糖與非精製糖的差別為何? (2019)。檢自https://www.foodnext.net/science/machining/paper/5470279180 (Oct 10, 2021)

Evelyn 食品技師_96
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國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421
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