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渾身是勁:電池的前世今生與未來

果殼網_96
・2015/08/18 ・4109字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

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六種最常見的電池型號。Source: Hohum

作者/chenwei

近日,美國史丹佛大學的戴宏杰研究組在《自然》發表論文,宣布研發出充電極快、壽命超長的鋁離子電池,引起了廣泛關注。比起耳熟能詳的「鋰電池」,人們對鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什麼要研發這樣的新電池?這還得從充電電池的發展說起。

初中時,我有一部黃色的隨身聽。我給它準備了3對充電電池輪番上陣,這樣,當周杰倫的聲音突然變得緩慢時,我知道總有電池可以更換。後來,我有了MP3和手機,就漸漸不再聽隨身聽了,需要經常充電的,也從圓柱形的5號電池換成了扁扁的鋰電池。在我看來,世上無法逃避的事情,除了死亡和繳稅,還有給電池充電。

不是每一種電池都叫可充電電池

電池是生活中再常見不過的物品了。它進入人類世界已有200年的歷史。早在1800年,義大利科學家亞歷山卓·伏打(Alessandro Volta)就發明了「伏打電堆」(Voltaic piles)。伏打電堆由很多個單元堆疊而成,每個單元都有一塊銅板和一塊鋅板,中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時至今日,生活中常見的鹼性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池,都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理:通過氧化還原反應將自己儲存的化學能轉化為電能。

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描繪伏特(左)向拿破崙(右)展示伏打電堆的畫作。圖片來源:66south.com

這一看似神奇的過程其實並不複雜。一塊電池主要由正極、負極和電解液三部分組成。當電池與外電路聯通時,負極一端就開始發生氧化反應,釋放出電子;正極一端則發生還原反應,正好需要補充電子。由於電解液將兩極隔開,只允許離子流動,不允許電子流動,於是電子通過外電路從負極流向正極,形成電流做功,化學能也藉此轉化成了電能。

原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.
原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.

但如果用一次性電池為隨身聽供電,那麼一張專輯才放幾遍,電池就該扔了。一次性電池的電化學反應是不可逆的,也就是說,化學能轉化為電能的旅程只能一條路走到黑,電量用盡,電池也沒用了。能不能來一種可以重複使用的電池?

這種「得寸進尺」的需求,最終促成了世界上最早的可充電電池——鉛酸電池的誕生。它由法國物理學家加斯頓·普蘭特(Gaston Planté)於1859年發明。可充電電池採用的是可逆的電化學反應,只要施加外電壓,改變電子流動的方向(從正極流向負極),電池兩極就會發生與放電時方向相反的化學反應,彷彿「返老還童」,最終重新充滿電力。

這項發明影響之深遠令人不服不行——時至今日,人們在啟動汽車引擎時使用的蓄電池(俗稱電瓶)依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別採用海綿鉛及二氧化鉛,電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流,價錢也不貴,但就是體積太大了些。

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普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com
普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com

鉛酸電池做不到面面俱到?沒關係,後面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此後,研究者們又不斷探索,發明出採用其他化學反應的充電電池,如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大,體積更小,可以用於為各類小型電子設備提供電能。

青出於藍的鋰離子電池

之前說到,電池工作時,電子通過外電路從負極流向正極。與此同時,相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下,電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而,使用水系電解液的電池,最多能達到的工作電壓也不過2伏特左右。如果我們想要獲得更高的電壓,輸出更大功率,就要使用不含水的電解液,找到替代氫離子的正離子。

查看元素週期表,最佳的候選者落在了鋰離子身上:作為3號元素,鋰的原子量只有6.9;它既輕又小,比其他大的離子更容易在電解液中移動,可謂不二之選。確定了鋰離子,接下來的任務,就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代,美國化學家史丹利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在埃克森(Exxon)工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年改良,商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。

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史丹利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設計的​​重要研發者。圖片來源:binghamton.edu

鋰離子電池的負極使用石墨,正極使用鈷酸鋰,電解液則使用含有鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的有機溶劑。放電時,嵌在石墨負極中的鋰被氧化、進入電解液,跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰;充電時,鋰則從鈷酸鋰中脫嵌,溜回石墨中,如此循環往復。這樣的電池,工作電壓可達到3.7伏特以上,能量密度大大提高。

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但所謂「金無足赤,人無完人」,儘管鋰離子電池大獲成功,也免不了還有缺點——比如價格較高,容量流失,以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃,雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性,卻終究不是長久之計。

厚望加身的離子電池

原理上,我們只要用另一種X離子來替代鋰離子,並找到與之匹配的電極和電解液,就可以得到「X離子電池」。在眾多「X」的候選者中,鋁算是優勢比較明顯的:它的價格比鋰更低,化學性質也更穩定,而且在反應時,每個鋁原子可以釋放3個電子,似乎是個不錯的選擇。

然而,研發鋁離子電池的道路並不順利。最大的困難在於找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中,正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞,能有效參與反應的部分因而越來越少。最終,電池容量迅速下降,使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。

在研究者們鍥而不捨的努力之下,上月,鋁離子電池終於迎來了大突破。史丹佛大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布,他的研究小組成功製造出了超長壽命的鋁離子電池。

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戴宏杰(右)和文章的共同第一作者之一龔明(左)圖片來源: Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy

這種電池選用鋁金屬作為負極,正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘製電解液由有機鹽[EMIm]Cl(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)和AlCl3按一定比例混合製成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是AlCl4。電池放電時,鋁負極被氧化生成Al2Cl7,同時釋放電子;本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的AlCl4則脫嵌進入電解液。充電時,電解液中的AlCl則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為AlCl離子的體積較大,因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地製備了泡沫石墨——它內部充滿空隙,表面積很大,讓AlCl離子可以快速自由地進出。

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以泡沫鎳為模板,研究者先用化學氣相沉積法在它的表面沉積上石墨,再覆蓋上一層聚合物PMMA;接著用相應溶劑將泡沫鎳和PMMA相繼溶解,得到三維結構的泡沫石墨。用普通非泡沫熱解石墨做正極的話,鋁離子電池的充放電速率只有使用泡沫石墨時的75分之一。圖片來源:參考文獻[1]

在經過驚人的7500次充放電循環後,這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失,工作電壓也穩定在2伏特左右。除了​​壽命長,這種鋁離子電池功率密度也很高(3000W·kg–1),可以在一分鐘內充滿電。此外,它們柔性極好,可以隨意彎曲;安全性能也超棒,哪怕用電鑽將它鑽穿,也不會影響它正常工作。

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鋰離子電池被戳開一個洞很可能帶來嚴重的後果,但用鑽頭(Drill)鑽穿戴宏杰研究組的鋁離子電池,電池依然能正常工作。圖片來源:stanford.edu

取而代之?

說了這麼多優點,這樣的鋁離子充電電池什麼時候能走進我們的生活?

恐怕還早得很。

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目前,它的工作電壓只有鋰離子電池的一半,能量密度也只有40 Wh·kg –1,與鉛酸電池相當,還不到鋰離子電池的三分之一,所以大家應該還沒法在智能手機、筆記本電腦或電動汽車裡看到它。除了​​性能的提高還潛力很大之外,這些鋁離子電池的生產成本也有待降低——它的電解液使用離子液體,價格較高;用於製備泡沫石墨正極的化學氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規模生產的工藝。要達到「物美價廉」,研究者們還有很長的路要走。

但不管怎樣,鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優越,如果未來可以降低生產成本,它們將會十分適合用於在對能量密度要求不高的地方發揮作用。比如在電網儲能係統中,它們能為太陽能和風能等可再生能源儲能,還能作為家用大型電池,為電動車充電,或是在停電時為電器供電。

一旦科學家能夠研發出比泡沫石墨更好的正極材料,進一步提高鋁離子電池的工作電壓,它的用途將更加廣泛。隨身聽走了,MP3也快走了,科技產品一代又一代地從我們的生活中出現又淘汰,電池和研究電池的人卻一直還在。之後還會有怎樣的電池驚艷我們的生活?給裝備充好電,拭目以待吧。

參考文獻:

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  1. Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery.Nature (2015).
  2. Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).
  3. Wessells, et al. Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemical and Solid-State Letters 13, no. 5 (May 1, 2010): A59–61.
  4. Chen, Z. et al. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition. Nature Mater. 10, 424–428 (2011)

 

本文轉載自果殼網

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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。

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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
來源:內政部建築研究所

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。

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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。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

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。

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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%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

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。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

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。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

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。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

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。

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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。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

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。

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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。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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「真.無線充電」?試試電磁波獵能手環,你的身體就是最好的捕能裝置!
PanSci_96
・2023/04/22 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你的手機能無線充電嗎?不過,雖說是無線充電,但還是得要放在充電盤上,由充電盤連結一條電線,這樣的充電方式,想必跟大家期待的「真.無線充電」有落差。

好消息是,有人提出一種藉由捕捉空間中的無線電波、獲得電能的無線充電方式,所以代表這些電能是完全免費的!但……這是真的嗎?

隔空充電可行嗎

現在我們已經可以透過無線網路串連全球的資訊,但是遠距能量傳輸卻尚未成真。

當代的無線通訊裝置,舉凡手機電話、wifi 網路、無線電、衛星定位等,都可以靠著不斷地發射無線電波來交換訊息。不過其實仔細想想,無線電波、電磁波其實就是不斷變化的電磁場。既然可以透過磁場變化來傳遞能量,那這些強大的電磁波網絡,是不是也可以拿來傳遞電能呢?

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實際上還真有類似的例子,一百年前最早的收音機竟然完全不需要插電!礦石收音機只需要天然礦石、金屬針、線圈和一些電線,就能收到附近廣播電台送出的訊號,轉換成聲音並放出。

那麼為什麼沒有沿用至今呢?主要就是效率的問題。礦石收音機需要不斷調整金屬針接觸礦石的位置,還得拉長長的天線來捕捉更多的無線電波;市售的礦石收音機玩具,甚至附有一條長長的鱷魚夾電線,可以接到大型金屬家具,產生更清楚、更大聲的聲音。當然這種收音機很快就被以電驅動的真空管收音機取代了。

2021 年初小米曾發表過隔空充電技術專利,利用指向型遠距充電,系統會先定位出手機的位置,再透過多個天線組成的陣列將電波瞄準發射給手機,克服電磁波發散的問題,據稱能在數公尺內進行無線 5W 的無線充電,雖然還不到快充,但也算是革命性突破。不過目前還在技術發表階段,尚未正式推出。

礦石收音機是利用天然礦石或晶體,加上天線、地線和調諧電路,所製成的收音機。圖/維基百科

無線射頻獵能

再換個角度思考,能量在傳遞的時候會向四周發散,而我們生活周遭到處都是會發出電磁波的 3C 產品,那能不能反過來,捕捉這些由其他電器溢散的電磁波,並轉為能量呢?

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還真的有人這麼做了。收集這些廢能,並轉化成可用電能的技術,就稱為「無線射頻獵能」。近十年來,有許多相關的技術與研究,不過效率大多還未到達實用階段。

就在今年一月,美國麻州大學團隊發表了一種可以用於無線射頻獵能的線圈手環,而且功率竟然比一般的線圈天線高十倍以上。

有趣的是,其實他們當時並不是在研究無線充電,而是如何使用 LED 快速閃爍來傳遞訊息;這種名為可見光通訊 VLC 的技術,有望成為未來 6G 通訊的方式。但發現到,這種技術需要 LED 以每秒數百萬次的頻率閃爍,過程中會釋放出大量不可用的無線電波,浪費掉許多能量;於是轉念一想,嘗試用線圈收集這些逸散的能量,降低傳訊時的能量浪費。

研究團隊發現,當線圈靠近金屬片時,收集能量的效率會變得更好。透過反射增強訊號,金屬片吸收環境中的電磁波再向外放出;隨著金屬片面積越大,攔截到的電磁波也越多,收集能量的效果也越好。

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但是無線充電就是要擺脫這些笨重的金屬板,於是研究人員開始拿生活周遭的 3C 產品來進行實驗。從獵能的功率來看,效果最好的依序是筆電、平板、手機。這和預期的一樣:面積越大,獵能效果越好。

然而,意想不到的是,實驗效果最好的,竟然是人體!

推測這是因為人體中含有大量水分,其容易導電、被極化的特性有助於蒐集空間中的電磁波。人體就是一根巨大的共振天線,能增加無線電訊號的發射效率,同樣的道理,也可以用來收集環境中的無線電波能量。

人體是巨大的共振天線!圖/GIPHY

研究團隊將線圈手環的設計稱為「Bracelet+」,是第一個借助人體的獵能裝置;後續又嘗試將線圈做成戒指和手環,希望能打造出輕便的隨身獵能裝置。

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那這樣是不是以後只要綁條線圈在手上,就再也不需要幫手機充電了呢?該線圈手環目前在數公尺的距離外最多可以捕獲微瓦等級的功率,也就是百萬分之一瓦。用這種電壓當然不可能幫手機充電,不過已經足以供應一些低功耗的隨身裝置,像是常見的智慧健康手環,或是負責監控體溫或血糖的元件,甚至類似心律調節器的植入式醫療器材,或許就可以利用該線圈設計,減少充電的頻率。

在 5G 物聯網的架構中,各種居家和隨身裝置必須隨時維持連線,如何為這些獨立、低功耗的裝置供電便成了重要的課題。在這種情況下,如果可以汲取周遭無線電波的廢能,不只可以節省能源,還能免去定期更換電池或充電的麻煩。

遠距充電熱潮

目前的 5G 和開發中的 6G 技術,都持續往電磁頻譜中更高頻率的部分去探索,設置覆蓋率更高、頻譜更寬的無線通訊網絡,而這些頻率的電磁波也將為無線充電帶來新的發展機會。

去年在 Scientific Reports 期刊上,有篇研究提出了 5G 網路作為電力網的想法。團隊針對 5G 使用的頻率設計出一種天線以及搭配的電路,可以在 180 公尺外接收到 6 微瓦,為無線電力網的夢想邁出了第一步。

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不過,在這波遠距無線充電的熱潮下,市面上也出現許多令人半信半疑的遠距充電技術。

例如 2011 年一家新創公司推出了超音波充電技術,宣稱可以透過空氣的震動替手機充電;然而,雖說超音波充電雖然在原理上可能可以運作,但在充電效率和經濟成本上根本不切實際,對人體健康的影響也相當有爭議。

除此之外,還有一家叫做 TechNovator 的公司推出了前所未聞的量子充電技術,他們宣稱可以透過「能量量子化」來傳輸能量,並且在「空間中創造能量結構」,還不需要任何形式的電磁場,就可以達成 100 瓦的無線充電!至於到底有沒有這麼好的事,就留給各位判斷了。

在所有物品與資訊都以無線網路相連的這個時代,無線的電力傳輸與電力網是關鍵的下一步;能夠有效的無線傳輸能量,才能讓我們生活周遭的智慧裝置擺脫電線的束縛,減少電池的消耗,成為一個自由移動,自給自足的物聯網。

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不論是透過可見光、wifi、還是 5G 訊號,無線且遠距的充電與獵能,將來勢必會有讓人驚豔的發展。

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渾身是勁:電池的前世今生與未來
果殼網_96
・2015/08/18 ・4109字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

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六種最常見的電池型號。Source: Hohum

作者/chenwei

近日,美國史丹佛大學的戴宏杰研究組在《自然》發表論文,宣布研發出充電極快、壽命超長的鋁離子電池,引起了廣泛關注。比起耳熟能詳的「鋰電池」,人們對鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什麼要研發這樣的新電池?這還得從充電電池的發展說起。

初中時,我有一部黃色的隨身聽。我給它準備了3對充電電池輪番上陣,這樣,當周杰倫的聲音突然變得緩慢時,我知道總有電池可以更換。後來,我有了MP3和手機,就漸漸不再聽隨身聽了,需要經常充電的,也從圓柱形的5號電池換成了扁扁的鋰電池。在我看來,世上無法逃避的事情,除了死亡和繳稅,還有給電池充電。

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不是每一種電池都叫可充電電池

電池是生活中再常見不過的物品了。它進入人類世界已有200年的歷史。早在1800年,義大利科學家亞歷山卓·伏打(Alessandro Volta)就發明了「伏打電堆」(Voltaic piles)。伏打電堆由很多個單元堆疊而成,每個單元都有一塊銅板和一塊鋅板,中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時至今日,生活中常見的鹼性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池,都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理:通過氧化還原反應將自己儲存的化學能轉化為電能。

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描繪伏特(左)向拿破崙(右)展示伏打電堆的畫作。圖片來源:66south.com

這一看似神奇的過程其實並不複雜。一塊電池主要由正極、負極和電解液三部分組成。當電池與外電路聯通時,負極一端就開始發生氧化反應,釋放出電子;正極一端則發生還原反應,正好需要補充電子。由於電解液將兩極隔開,只允許離子流動,不允許電子流動,於是電子通過外電路從負極流向正極,形成電流做功,化學能也藉此轉化成了電能。

原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.
原電池示意圖。陽極(Anode)與陰極(Cathode)與外電路連接,浸泡在電解液中,電池運作時,電流從陰極流向陽極。因此,此處的陽極和負極是同一電極,陰極與正極是同一電極。圖片來源:Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.

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但如果用一次性電池為隨身聽供電,那麼一張專輯才放幾遍,電池就該扔了。一次性電池的電化學反應是不可逆的,也就是說,化學能轉化為電能的旅程只能一條路走到黑,電量用盡,電池也沒用了。能不能來一種可以重複使用的電池?

這種「得寸進尺」的需求,最終促成了世界上最早的可充電電池——鉛酸電池的誕生。它由法國物理學家加斯頓·普蘭特(Gaston Planté)於1859年發明。可充電電池採用的是可逆的電化學反應,只要施加外電壓,改變電子流動的方向(從正極流向負極),電池兩極就會發生與放電時方向相反的化學反應,彷彿「返老還童」,最終重新充滿電力。

這項發明影響之深遠令人不服不行——時至今日,人們在啟動汽車引擎時使用的蓄電池(俗稱電瓶)依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別採用海綿鉛及二氧化鉛,電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流,價錢也不貴,但就是體積太大了些。

普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com
普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源:bb-batteryasia.com

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鉛酸電池做不到面面俱到?沒關係,後面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此後,研究者們又不斷探索,發明出採用其他化學反應的充電電池,如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大,體積更小,可以用於為各類小型電子設備提供電能。

青出於藍的鋰離子電池

之前說到,電池工作時,電子通過外電路從負極流向正極。與此同時,相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下,電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而,使用水系電解液的電池,最多能達到的工作電壓也不過2伏特左右。如果我們想要獲得更高的電壓,輸出更大功率,就要使用不含水的電解液,找到替代氫離子的正離子。

查看元素週期表,最佳的候選者落在了鋰離子身上:作為3號元素,鋰的原子量只有6.9;它既輕又小,比其他大的離子更容易在電解液中移動,可謂不二之選。確定了鋰離子,接下來的任務,就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代,美國化學家史丹利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在埃克森(Exxon)工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年改良,商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。

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史丹利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設計的​​重要研發者。圖片來源:binghamton.edu

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鋰離子電池的負極使用石墨,正極使用鈷酸鋰,電解液則使用含有鋰鹽(如六氟磷酸鋰)的有機溶劑。放電時,嵌在石墨負極中的鋰被氧化、進入電解液,跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰;充電時,鋰則從鈷酸鋰中脫嵌,溜回石墨中,如此循環往復。這樣的電池,工作電壓可達到3.7伏特以上,能量密度大大提高。

但所謂「金無足赤,人無完人」,儘管鋰離子電池大獲成功,也免不了還有缺點——比如價格較高,容量流失,以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃,雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性,卻終究不是長久之計。

厚望加身的離子電池

原理上,我們只要用另一種X離子來替代鋰離子,並找到與之匹配的電極和電解液,就可以得到「X離子電池」。在眾多「X」的候選者中,鋁算是優勢比較明顯的:它的價格比鋰更低,化學性質也更穩定,而且在反應時,每個鋁原子可以釋放3個電子,似乎是個不錯的選擇。

然而,研發鋁離子電池的道路並不順利。最大的困難在於找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中,正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞,能有效參與反應的部分因而越來越少。最終,電池容量迅速下降,使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。

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在研究者們鍥而不捨的努力之下,上月,鋁離子電池終於迎來了大突破。史丹佛大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布,他的研究小組成功製造出了超長壽命的鋁離子電池。

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戴宏杰(右)和文章的共同第一作者之一龔明(左)圖片來源: Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy

這種電池選用鋁金屬作為負極,正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘製電解液由有機鹽[EMIm]Cl(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)和AlCl3按一定比例混合製成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是AlCl4。電池放電時,鋁負極被氧化生成Al2Cl7,同時釋放電子;本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的AlCl4則脫嵌進入電解液。充電時,電解液中的AlCl則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為AlCl離子的體積較大,因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地製備了泡沫石墨——它內部充滿空隙,表面積很大,讓AlCl離子可以快速自由地進出。

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以泡沫鎳為模板,研究者先用化學氣相沉積法在它的表面沉積上石墨,再覆蓋上一層聚合物PMMA;接著用相應溶劑將泡沫鎳和PMMA相繼溶解,得到三維結構的泡沫石墨。用普通非泡沫熱解石墨做正極的話,鋁離子電池的充放電速率只有使用泡沫石墨時的75分之一。圖片來源:參考文獻[1]

在經過驚人的7500次充放電循環後,這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失,工作電壓也穩定在2伏特左右。除了​​壽命長,這種鋁離子電池功率密度也很高(3000W·kg–1),可以在一分鐘內充滿電。此外,它們柔性極好,可以隨意彎曲;安全性能也超棒,哪怕用電鑽將它鑽穿,也不會影響它正常工作。

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鋰離子電池被戳開一個洞很可能帶來嚴重的後果,但用鑽頭(Drill)鑽穿戴宏杰研究組的鋁離子電池,電池依然能正常工作。圖片來源:stanford.edu

取而代之?

說了這麼多優點,這樣的鋁離子充電電池什麼時候能走進我們的生活?

恐怕還早得很。

目前,它的工作電壓只有鋰離子電池的一半,能量密度也只有40 Wh·kg –1,與鉛酸電池相當,還不到鋰離子電池的三分之一,所以大家應該還沒法在智能手機、筆記本電腦或電動汽車裡看到它。除了​​性能的提高還潛力很大之外,這些鋁離子電池的生產成本也有待降低——它的電解液使用離子液體,價格較高;用於製備泡沫石墨正極的化學氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規模生產的工藝。要達到「物美價廉」,研究者們還有很長的路要走。

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但不管怎樣,鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優越,如果未來可以降低生產成本,它們將會十分適合用於在對能量密度要求不高的地方發揮作用。比如在電網儲能係統中,它們能為太陽能和風能等可再生能源儲能,還能作為家用大型電池,為電動車充電,或是在停電時為電器供電。

一旦科學家能夠研發出比泡沫石墨更好的正極材料,進一步提高鋁離子電池的工作電壓,它的用途將更加廣泛。隨身聽走了,MP3也快走了,科技產品一代又一代地從我們的生活中出現又淘汰,電池和研究電池的人卻一直還在。之後還會有怎樣的電池驚艷我們的生活?給裝備充好電,拭目以待吧。

參考文獻:

  1. Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery.Nature (2015).
  2. Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).
  3. Wessells, et al. Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemical and Solid-State Letters 13, no. 5 (May 1, 2010): A59–61.
  4. Chen, Z. et al. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition. Nature Mater. 10, 424–428 (2011)

 

本文轉載自果殼網

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快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限
PanSci_96
・2023/03/11 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

除了線材,市場上也到處可看到標榜使用氮化鎵、可支援大電流快充的充電頭。但為什麼之前充電速度一直快不起來呢?為什麼現在要改用氮化鎵呢?快充能變得更快更快更快嗎?

快充加速了充電速度

在快充出來以前,我們的智慧型手機充電器,功率大約是 5 瓦特(W)或是 2.5 瓦特,現在最夯的的氮化鎵快充頭功率則高達 65 瓦特,相差了 13 倍,理想上充電時間也會縮短為十三分之一。

實際上,這幾年快充的發展速度可能比想像的還要快上許多。

還記得在 21 世紀的 Nokia 3310 嗎?其功率僅 4.56 瓦特,而蘋果一直到 2014 年的 iPhone6 才支援更快的 10 瓦特快充。然而,現在不僅已經出現不少支援 50 瓦特以上快充的手機,今年二月中國手機品牌 realme 推出的 GT Neo5,甚至出現 240 瓦特的超快充技術,是目前充電最快的智慧型手機。

提升充電器功率的關鍵

從過去到現在,充電器不僅功率大幅提升,充電器的大小同時也縮小了許多。過去的線性充電器,除了有條細細長長的尾巴外,最大的特徵就是不僅大、充電時還會發熱的變壓器;為了將市電的 110V 交流電轉為手機可以使用的 5V 直流電,就需要變壓器協助降壓。

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變壓器的發熱來源來自內部占了絕大部分體積的線圈,在電路學中被稱為「電感器」。輸入與輸出的線路會以線圈的形式綑在一組鐵芯上,兩端的線圈數量十分關鍵,線圈數量的比值就是兩側電壓的放大大小;若想從 110V 變成 5V,則為輸入的線圈圈數是輸出的 22 倍,那麼輸出的電壓就會減少 22 倍。

在變壓的過程中,輸入端的線圈與鐵芯就像一顆大電磁鐵,讓磁通量通過鐵芯,將能量傳到輸出線圈,輸出線圈則會因為電磁感應,產生相同頻率但電壓不同的交流電,完成降壓。只要再把 5V 交流電轉成 5V 的直流電,就可以幫手機充電啦。

過去的線性充電器最大的特徵就是體積大、充電時還會發熱。圖/Envato Elements

聰明的你應該已經想到,提升充電功率的關鍵就在於——線圈數量

如果希望變壓器的輸出提升,必須在維持線圈比值的情況下,等比例增加輸入與輸出端的線圈數量;更多的線圈就意味更多的磁通量能透過鐵芯傳到另一端,更多的能量也隨之傳遞。但如此一來,早已被塞滿的變壓器,為了塞進更多的線圈就只能繼續增加充電器的體積,還會因能量耗損放出大量的熱。

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若想提升功率,又能減少電感器大小,最好的方法就是——增加工作頻率

透過「高頻變壓器」的幫忙,將原先市電 60 赫茲的頻率提升到 50K 赫茲,被轉為高頻的交流電再進行變壓,如此一來就能降低能量損耗,所需的電感器大小也會大幅降低。

然而,要注意的是,要想改變交流電的頻率,是無法直接轉換的。要先將交流電轉為直流電,再經由特殊的「開關」電路將直流電轉為特定頻率的交流電;這類型的充電器就被稱為「開關充電器」,現在的智慧型手機就是使用開關充電器。

救世主材料

但隨著手機電池容量不斷增加,手機充電效率的需求永無止盡,充電器又開始一個比一個大。

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智慧型手機所使用得充電器為開關充電器。圖/Envato Elements

不是繼續提升工作頻率就好了嗎?那是因為,我們遇到了「矽的極限」。

開關電路中將直流轉為交流的關鍵,就是我們熟知的半導體元件電晶體。裡頭的原料過去都以我們熟知的矽為主,然而以矽為材料的半導體工作頻率極限僅在 100k 以下,如果超過 100k,轉換效率會大幅下降,更有嚴重的能量浪費問題。

解決的方法就是:尋找下一個材料。沒錯,就是最近最夯半導體的——氮化鎵(GaN);其能隙是矽的 3 倍,電子遷移率為 1.1 倍,崩潰電壓極限則有 10 倍。

顯然,氮化鎵擁有更良好的電特性,還能在高頻、高電壓的環境下工作,使用氮化鎵為材料的快充頭因此誕生!氮化鎵最高的工作頻率是 1000K,是矽的 10 倍,除了讓變壓器的電感線圈能再次縮小,連帶縮小充電頭的體積;亦能降低能耗並減少電容與散熱器的大小,成為好攜帶的快充豆腐頭。

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到這裡,或許你會想問,提高充電效率應該不只有換材料一條路吧?還會有更快的充電技術出現嗎?

當然會的;和矽相比,氮化鎵仍有很大的研究性。

而且不僅手機,就以現在市面上正夯的電動車來說,也需要快充技術支援,來減少充電時所需要的時間;為應對龐大的充電市場需求,綜觀整個半導體材料的發展歷史,已經有許多材料問世。除了氮化鎵,還包括矽、鍺、三五族半導體「砷化鎵」(GaAs)、「磷化銦」(InP),以及化合物半導體「碳化矽」(SiC);在能源產業中,又以氮化鎵和碳化矽的發展最令人期待。

電動車也需快充技術的支援,來縮短充電所需時間。圖/Envato Elements

氮化鎵與碳化矽的未來與挑戰

不論以技術發展還是成本考量,這兩位成員還不會那麼快取代矽的地位。

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兩者應用的範圍也不完全相同。氮化鎵擁有極高的工作頻率,在高頻的表現佳,並且耐輻射、耐高溫,除了運用在充電技術內外,在高功率 5G 基地台、航空通訊、衛星通訊也都將大展身手。碳化矽則在高溫及高電壓下擁有良好的穩定性,尤其在未來電動車快充的需求增加,1000 伏特以上的充電需求,將使得僅能承受 600 伏特的矽半導體無法負荷,預期將接手電動車中的關鍵元件。

兩者看來潛力無窮,但目前在製程上仍需克服許多問題;如:材料介面的晶格缺陷及成本考量;在它們能像矽材料應用在各方領域之前,還需要投入更多研發能量。

但令人興奮的是,駛向下個半導體世代的鳴笛聲已經響起,不論是台積電、晶圓大廠環球晶,國內外各家半導體大廠,都早以搭上這班列車。不同的材料也意味著,從磊晶、製程、元件設計、晶圓製造都將迎來改變,陸續也有廠商開始使用 AI 輔助設計氮化鎵半導體元件。

未來半導體與科技產業將迎來何種轉變,就讓我們拭目以待吧!

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半導體未來的發展令人興奮!圖/GIPHY

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