新多孔聚合物是一種威力強大的超級電容

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

穿戴式裝置正火紅，除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置，你知道還有智慧衣嗎？相較於智慧手錶或手環，智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體，在生理檢測上，能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測，智慧衣就得通電，目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置（像是固體電池等）來供給電力，不但累贅，也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學（Drexel University）近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫，他們找出一種方式，能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中，藉此可儲存能量，進而觸發感測器及電子整合裝置，並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」，其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品，近幾年才開始進入消費者市場，像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置，以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出，智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件，成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止，市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取，並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大，但仍必須使用傳統電池供給電力，從美學或是功能的角度來看，這樣的設計其實都不盡理想。

因此，創造一個高彈性，且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年，來自中國與美國的研究團隊有了一些成果，他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成，且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出，這些以碳為基礎的微型超級電容器，每個纖維擁有最高的體積能量密度（每小時 6.3 微瓦/每立方毫米，相當於一個 4 伏特，每小時 500 微安培的電池）。但是這些產品雖然看似強大，其造價卻相當昂貴，而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除，再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子：活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置，卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外，活性碳安全無毒，甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示，只要使用約 3000 平方公分的面積（相當於襯衫背部中央區塊的大小），便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度，該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術（Natural Fiber Welding，NFW），這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料，嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜，但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下，它們製造出一台專門用於NFW 的機器，能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說：「它們雖然昂貴，卻是非常優異的替代有機溶劑，因為它們不會揮發，甚至可以在水中重建，進而回收」，Durkin 認為，如果NFW技術被規模化，那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素。

電力供給效能尚待解決

在現有技術下，能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多，像智慧手機等行動產品可能都不敷使用，但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道，現在市面上有越來越多的電子紡織品，但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力，針對此點，她致力於儲能紡織品的研發，最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置，能夠驅動相關電子產品，像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品，智慧衣則 High-Touch 多了，不但能夠真正「穿」在身上，也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上，模特兒與藝人也能穿著智慧衣，在表演時展現更多炫麗的特效，增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點，相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

 對未來的電動車、強大的筆電以及其他可攜式裝置而言，我們需要新一代能源儲存材料，那比當前的可充電式電池更適合現代的需求。已知符合此需求的最佳材料是超級電容（supercapacitors）。一個由日本岡崎市，自然科學研究機構（National Institutes of Natural Sciences，NINS） 的 Dinglin Jiang 所領導的團隊，現在在 Angewandte Chemie 期刊中介紹一種新材料，具優異的超級電容特性。

零排放的電動車適合在市內到處開；然而，對於長途駕駛來說，事情並非如此。問題根源於只能儲存少量的能源，在需要重新充電之前所能涵蓋的（行駛）距離不遠，那限制車輛的速度與加速。超級電容能夠克服這些挑戰，因為它們結合早期電容器與電池的優點：如同一個電容器，它們能依需傳遞高電流密度，又像個電池可儲存大量電能。

超級電容的運作時是透過一種與可充電式電池不一樣的電荷儲存原理，以及電極上之電化學雙層的組成，電極則被電解質浸濕。當施加一電壓時，電荷相反的離子聚集在電極二端，形成非常薄的（wafer-thin）固定化電荷載體區（zones of immobilized charge carriers）。相較於電池，那只有電荷的移動，並沒有發生化學變化。適合超級電容的材料百百種，不過真正完美的材料目前仍未被發現。在日本的研究者，沿著這條路線，到達一個重要的里程碑。

這裡有種材料，具有趣的特性：特殊的多孔、如框架般的有機聚合物。它們的雙鍵以某種方式排列，使得它們的某些電子能自由地移動，如『電子雲』般延伸到超過框架之外的區域。這樣的材料因而能導電。在孔內，有大的內表面積（inner surface area）對於靜電電荷分離層（electrostatic charge-separation layers）的形成很重要。Jiang 以及他的團隊現在合成出一種包含氮的框架，其孔的的大小最適合讓離子快速流進流出 — 此為迅速充、放電所需。氮中心與電解質離子進行交互作用，因而有利於電荷的累積與離子的移動。

這些互異有利特性之間的相互作用，使這種新材料具有不尋常的高電荷儲存能力以及高能量密度。Jiang 及其共同研究者能夠證明，他們的多孔框架能承受許多次充／放電循環。

資料來源：New rechargeable batteries needed: A microporous polymer is an unusually powerful supercapacitor [August 23, 2011]

原發表於 Only Perception

文＼王昱夫

能源和環境無疑是近年來大家最關注的話題之一，電動車更是其中常常被拿出來討論的選項，然而，這類電力產品長久以來無法普及的ㄧ大困難點，就在於充電時間太長，想像一部車開進充電站，卻要花上半小時時間充飽電才能再上路（而且還沒辦法像用油一樣開那麼遠，很快又得找站充電），簡直讓人受不了。針對這樣的問題，紡織產業綜合研究所開發的「超級電容」，不但能夠滿足快速充放電的需求，更可以和紡織技術結合，開創出全新的市場！

紡織所開發的「織物超級電容」，曾在2011年榮獲R&D100大獎（此獎項素有「產業創新奧斯卡獎的美譽」）。其特色在於具備高度柔軟性（可180度折疊）、高穩定度、長壽命、快充快放及大容量，可以有效與自行車發電系統、太陽能電池做結合，成為高度生活化且應用性高的產品。

織物超級電容為什麼可以擁有這麼多優異的性質呢？其最創新之處便在於它使用了紡織材料作為電容的基材！是的，你沒看錯，是紡織材料！捨棄了以往電子材料總是硬梆梆的刻板印象，研究團隊採用了柔軟可撓的紡織物支撐整個電容結構，於其中灌注特定比例的電解質溶液後加以真空封裝，做成這片厲害的超級電容。也由於是使用紡織品材料，整片電容就像衣服一樣，可以隨意的扭曲、搓揉，當筆者親手拿著它把玩！簡直難以想像傳統的電子元件竟然能以如此特別的型態被製造出來！

「我們採用紡織材料來做，就是因為它具有好的可撓性和多孔性結構」受訪的蔡副組長向我們解釋道。有了好的可撓性這項產品的應用便不受限於傳統的空間限制，可以把它彎曲、塞在很小的空間內，或是放在背包、衣物這種需要高柔軟性的物品上，與穿戴式裝置做結合。除了可撓這項大特色之外，織物超級電容比起傳統的電容在性能上更絲毫不遜色！它的充放電速度接近傳統電池的100倍，同時，它比起一般電容，不但漏電速度慢，其壽命甚至可以經歷將近10萬次重複充放電（普通電池充放電壽命約300~500次）！這些特點結合起來，未來或許就能與前面提到的電動車輛做結合，達成快速充放電電力車的願景。

在應用面上，紡織產業綜合研究所也研發了特殊的LED紗線作為目前市場化供應的第一步。LED紗線和傳統的LED不一樣，也是強調「以紡織材料為主體」的產品，透過高度技術織造，具備比起傳統電線更高的承重力，也可以像一般衣物一樣耐水洗；值得一提的是，紡織所開發的這款LED紗線不像一般的LED燈有方向性（只有一個方向發光），360度全方位可發光，不論從哪端看都可以看到亮光！而且，紗線本身材質的導光效能也很好，可以讓整條線均勻發光，提高其應用性。

從產品端來看，目前織物超級電容已應用於自行車與太陽能供電裝置：由於這類發電來源其供電量往往不穩定（人踩的速度不可能一直固定嘛@@太陽也不會一直在頭頂～），如果直接把發的電接到要使用電的裝置上（像是車燈或手機充電裝置），效果可能不好（燈一下暗一下亮）或甚至會損傷器材（手機壞掉），所以這時候，就輪到超級電容出馬了！發揮它快速充電的特點，在發電時快速將電力儲存於電容內，再以固定的輸出量供電給要使用的裝置，達到好的電力運用（智慧儲能的概念啊！）。LED紗線則是可以運用在安全警示，與智慧型穿戴裝置做結合，結合這兩項技術，說不定未來，能夠像「布」一樣隨身攜帶的螢幕，也不再是天馬行空了呢！

紡織業以往被大家視為傳統產業，很難和最新科技這類的詞彙聯想在一起，然而，紡織所開發的智慧型儲能及發光織品，卻讓我們都著實大吃了一驚！紡織如此柔軟的材料，在與電子科技結合後，開創出了新的ㄧ片藍海！

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 對未來的電動車、強大的筆電以及其他可攜式裝置而言，我們需要新一代能源儲存材料，那比當前的可充電式電池更適合現代的需求。已知符合此需求的最佳材料是超級電容（supercapacitors）。一個由日本岡崎市，自然科學研究機構（National Institutes of Natural Sciences，NINS） 的 Dinglin Jiang 所領導的團隊，現在在 Angewandte Chemie 期刊中介紹一種新材料，具優異的超級電容特性。

零排放的電動車適合在市內到處開；然而，對於長途駕駛來說，事情並非如此。問題根源於只能儲存少量的能源，在需要重新充電之前所能涵蓋的（行駛）距離不遠，那限制車輛的速度與加速。超級電容能夠克服這些挑戰，因為它們結合早期電容器與電池的優點：如同一個電容器，它們能依需傳遞高電流密度，又像個電池可儲存大量電能。

超級電容的運作時是透過一種與可充電式電池不一樣的電荷儲存原理，以及電極上之電化學雙層的組成，電極則被電解質浸濕。當施加一電壓時，電荷相反的離子聚集在電極二端，形成非常薄的（wafer-thin）固定化電荷載體區（zones of immobilized charge carriers）。相較於電池，那只有電荷的移動，並沒有發生化學變化。適合超級電容的材料百百種，不過真正完美的材料目前仍未被發現。在日本的研究者，沿著這條路線，到達一個重要的里程碑。

這裡有種材料，具有趣的特性：特殊的多孔、如框架般的有機聚合物。它們的雙鍵以某種方式排列，使得它們的某些電子能自由地移動，如『電子雲』般延伸到超過框架之外的區域。這樣的材料因而能導電。在孔內，有大的內表面積（inner surface area）對於靜電電荷分離層（electrostatic charge-separation layers）的形成很重要。Jiang 以及他的團隊現在合成出一種包含氮的框架，其孔的的大小最適合讓離子快速流進流出 — 此為迅速充、放電所需。氮中心與電解質離子進行交互作用，因而有利於電荷的累積與離子的移動。

這些互異有利特性之間的相互作用，使這種新材料具有不尋常的高電荷儲存能力以及高能量密度。Jiang 及其共同研究者能夠證明，他們的多孔框架能承受許多次充／放電循環。

資料來源：New rechargeable batteries needed: A microporous polymer is an unusually powerful supercapacitor [August 23, 2011]

原發表於 Only Perception