科學家意外造出 400 倍超長壽電池,手機、筆電從此告別電池老化!

現代琳琅滿目的電子產品,從手機、筆電到平板,大都使用充電電池,而現在最常見的就是鋰電池,通常經過上千次重複充電使用後,電池就會開始明顯地衰退,蓄電量大幅降低。也因此很多時候,電子產品最先壞的就是電池。
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你有沒有筆電或手機用了好幾年還沒壞,卻因為電池老化一定要插著電源才能使用的經驗?現代琳琅滿目的電子產品,從手機、筆電到平板,大都使用充電電池,而其中最常見的就是鋰電池,通常經過上千次重複充電使用後,電池就會開始明顯地衰退,蓄電量大幅降低。也因此很多時候,電子產品最先壞的就是電池。

Popular Science 報導,加州大學爾灣分校 (University of California Irvine) 研發了新的電池,用奈米金線來儲存電力。使用這個架構做出來的電池,可以循環充電約 20 萬次而無明顯的損壞或衰退,遠遠超越一般鋰電池的表現。加州大學爾灣分校  的新聞則提到,一般電池大約 5000 -- 7000 次充電循環後就會開始快速死亡。

然而造出長壽電池的研究人員並不清楚背後的原理,他們本來只是打算要做一種固態電池,用膠態電解質取代電解液來儲電,因為包括鋰離子電池在內,常見的電池內部多含大量液體,而液態電池對溫度敏感,極度易燃。因為局部充電及可塑性高等特性,大部分電子產品的電池都含有液體。另一方面,根據 歐洲儲能高峰會(Energy Storage Europe)資料,要找到導電良好的膠態電解質則相當困難。

論文主要作者之一 Reginald Penner 說,他們在循環充電的過程中意外發現這些電池沒有明顯的損耗跡象,「但我們還不清楚背後的機制。」

UCI chemist Reginald Penner (shown) and doctoral candidate Mya Le Thai have developed a nanowire-based technology that allows lithium-ion batteries to be recharged hundreds of thousands of times. Daniel A. Anderson / UCI
▲加州大學爾灣分校的化學家 Reginald Penner(Photo Credit:University of California Irvine

這項研究中使用比細菌還細的納米金線,外層包覆氧化錳,並覆以膠狀電解質保護。其實近幾年已經有很多團隊在研究金屬奈米線(nanowire),不過爾灣團隊的膠狀電解質才是讓他們的研究獨樹一格的原因。膠會和金屬氧化物塗層作用,進而避免崩解。金屬線愈長,表面積就愈大,就能累積愈多電荷。

Penner 解釋,「(這些膠)不只是用來固定金屬線,它還能讓金屬氧化物更柔軟,因此也更不易碎。它讓負責儲存電荷的金屬氧化物更加堅韌。」

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▲ 左邊為沒有使用膠狀電解質的奈米線,充放 4000 次後的樣子,右邊為膠狀電解質中的奈米線,充放 10 萬次後損壞情形微乎其微 (Photo Credit:  University of California Irvine)

根據 Popular Science,雖然這項技術可望為消費電子產品延長約 400 倍的電池壽命,但它並不是一般電池的形式,電池通常需要正負極來向外通電,但這個裝置將兩極接在一起,自成一個迴路,自己幫自己充電,這樣一來更方便持續測試充放電。Penner 表示這就像兩個杯子互相倒水,過程中會有一些水濺出來而浪費掉,這樣來回充電通常也會耗損一些電能,在這個情況下,他們的電池在 20 萬次循環後,只耗損了約 5% 的電量。

另外,雖然實驗中只需要少量的金,但要大量製造這種電池的話,用金還是太貴了。Penner 認為可以用像鎳之類比較常見的金屬代替,這就需要其他技術的支援。

團隊未來的目標是將這項技術實行在電池上,並進一步探討背後的機制和原理。

此研究結果已刊登於美國化學學會的 Energy Letters 頁面(American Chemical Society’s Energy Letters)。

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