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美国打造新型固态锂电池
美国打造新型固态锂电池

  通常「纳米电池」多是指采用纳米制程、或是带有纳米尺度结构的电极,电池大小并非以纳米为单位,而此次美国马里兰大学则带来「名符其实」的纳米固态锂电池,新型电池面积虽然跟邮票差不多大小,但其实里面暗藏玄机、塞满数百万颗3D微电池(microbattery),可说是成功制造出世上最小的电池组。

  乍看之下每个3D微电池就像个又高又圆的房间,有足够的表面积组装纳米电池层,因此在薄层与高表面积加成下,能量密度与功率密度表现都相当不错,马里兰大学能源趋势研究中心纳米结构电储能部(NEES)认为3D微电池将有助于让固态电池从传统的平面薄膜迈入3D技术,在相同面积下电池可储存更多能量,功率密度也可以更高。

  锂离子电池主要由正极、负极与电解质构成,锂离子透过电解质在两极之间游移,若可增加电极与电解质的接触面积,将可加速离子移动速度并缩短到达另一端电极的速度,因此表面积越高电池能量密度就越高,这也是为什么众多科学家都想要打造3D电池。

  但制造3D电池也不容易,电池科学家10年来都致力于透过3D电池设计来提高功率密度与能量密度,但至今都没有任何一项研究与测试传出捷报,跨入商业化门槛。

  为了进一步让研究走出实验室,NEES研究员首先在硅片上钻出一个个比蜘蛛丝细又深的孔洞,再透过原子层沉积技术(atomic-layer deposition),加热电池每个零件的材料,将电极、固态电解质与两极电流集版(Current Collector)以单原子膜形式一层层的镀在基底表面与孔洞中。

  这种方式可以确保硅片每一个孔洞都被覆盖,提升电池的表面积,而薄薄的电池层则可增加功率密度。马里兰大学校助理研究科学家Keith Gregorczyk表示,这研究显示能量密度与功率密度会随着表面绩加大而增加。

  且该电池一大优势在于其电解质是固态的,不会像传统锂离子电池装载易燃的液态电解质,主要研究员Gary Rubloff表示,该技术制程跟半导体芯片一样,可直接整合到各种设备中,不管是健康传感器还是手机都可以应用。

  从手机、3C产品到电动车或是大型储能电厂,锂离子电池可说是无处不在,为当今储能技术主流,但由于电解质具有安全性疑虑一直为人诟病,该技术将有助于厂商制造出安全与轻便兼具的电池。目前研究已发表在《ACS NANO》。

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