華人科學家研發新型鋰金屬電池,可延長使用電子產品兩倍時間

作者 | 發布日期 2016 年 08 月 24 日 16:02 | 分類 手機 , 材料 , 穿戴式裝置 follow us in feedly
MIT-Solid-Energy-Systems

據《MIT News》報導,由麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)校友胡啟朝(Qichao Hu)於 2012 年創立的公司 SolidEnergy,已經研製出一款「無負極(anode-free)」的鋰金屬電池,其能量密度比用在消費性電子商品的鋰離子電池還要高出兩倍,能應用在智慧型手機、無人機、電動汽車等裝置,且安全性與耐久度與一般鋰離子電池不相上下。有了兩倍能量密度,就可以讓電池尺寸縮小一半,還依然保有跟鋰離子電池相同的電力;或是維持一樣大小,卻能擁有兩倍的電力。




這款電池基本上換掉了一般鋰電池使用的負極材料──石墨,改成極度輕薄、高能量的鋰金屬箔片,以保有更多鋰離子,並且提供更多電容量。對電解質進行化學改良後,也讓短命和具有揮發性的鋰金屬電池變得更安全,更重要的是可以再充電。此外,這款電池還可以用現存的鋰離子電池生產設備製造出來,讓它們得以實踐規模化。

2015 年 10 月,SolidEnergy 首度展示了智慧型手機的可充電鋰金屬電池。擁有兩倍能量密度,尺寸只有 iphone 6 內建鋰離子電池的一半大,卻能容納 2.0 安培小時的電量。相較之下,iphone 6 的電池只有 1,8 安培小時的電量而已。這項突破也讓他們贏取投資者信任,獲得了 1,200 萬美金的資助。

SolidEnergy Lithium Metal Battery

▲ SolidEnergy 的鋰金屬電池只有 iphone 6 內建鋰電池的一半大小(Source:SolidEnergy

SolidEnergy 計畫在 2017 年初將電池應用在智慧型手機與穿戴式裝置上,緊接著在 2018 年進軍電動車領域。不過第一個應用將會是在無人機上,預計在今年 11 月正式啟航。「目前已有顧客打算使用無人機或氣球,提供免費網路到發展中國家,或是協助調查救災等工作。」胡啟朝表示,能參與其中「相當令人期待,而且這是具有崇高目的的應用。」

將來,電動車搭載這款電池上路後,也會帶來巨大的影響。以工業標準來看,電動車至少要充電一次就能行駛 200 英哩,才算合格。SolidEnergy 能在達到同樣距離的條件下,讓電池體積重量都減半;或是選擇保持同樣大小規格,卻能充電一次就開到兩倍的距離。

找到電池的「聖杯」,做出改善

電容量,就如同是電池的「聖杯」,電池的功能與價值均端賴於此。為了較佳電容量,並能持續使用,研究者十幾年來不斷嘗試研發可充電的鋰金屬電池,可惜都無濟於事。鋰金屬對於電池的電解質反應不佳。該液體會讓離子在正極(陰極)與負極(陽極)間傳導,形成化合物,增加電池之中的電阻並降低循環壽命;還會在負極上聚集一層鋰金屬針晶(dendrites),從而導致短路,甚至產生高熱或爆炸。此外,也會讓電池變得無法充電。

為了讓電池更加安全,只好以性能作為代價。像是將液態電解質換成導電不佳的高分子固態電解質,而且要經高溫加熱後才有辦法運作;或是採用無機電解質,只是難以規模化。

胡啟朝在麻省理工學院作博士後研究時,跟隨的是著名的電池研究專家 Donald Sadoway 教授。他曾經研發過幾款熔鹽及液態金屬電池,而胡啟朝則協助在鋰金屬電池方面進行了部分的關鍵設計以及材料改良,也因此奠下了 SolidEnergy 技術的基石。

其中一個具有獨創性的技術,便是使用超薄的鋰金屬箔片作為電池負極,大約只有傳統鋰金屬電池負極 1/5 的厚度,也比石墨、碳或是矽做成的負極更輕薄了數倍。而這就是能壓縮電池尺寸的關鍵。然而,仍有一道重大關卡無法跨越,那就是它只能在攝氏 80 度以上的溫度中運作。如果無法在室溫中發揮,那麼這款電池在商業應用上也會受到限制。

為了解決這個困境,胡啟朝研發出一種混合固態及液態的電解質溶液。他在鋰金屬箔片上塗上一層固態電解質,不必加熱就能發揮作用;並創造出一種不可燃的準離子液態電解質。而經過化學改良的分隔器與零件設計,則能夠遏止鋰金屬的負面化學反應。

最後的成果,就是該電池同時擁有鋰金屬電池的電容量,以及鋰離子電池的安全性與耐久度,更棒的是還能在室溫下運作。

因禍得福,在困境中找到突破口

至於在商業方面,胡啟朝當時常常前往麻省理工學院馬丁基金創業中心(Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship),聽取專家以及投資者的洞見。他也參加了能源企業課程,並藉此招募成立了一個團隊,以新電池為主軸,共同研擬商業計畫。

他們靠著該計畫,在麻省理工學院的 10 萬美金創業競爭加速器大賽(MIT $100K Entrepreneurship Competition’s Accelerator Contest)上拔得頭籌,並進入了 MIT 綠能獎(MIT Clean Energy Prize)決選名單,最後代表麻省理工學院前往白宮參加全國綠能競賽,獲得第二名。

2012 年底,正當胡啟朝蓄勢待發要成立 SolidEnergy 時,發展先進鋰離子電池的另一間麻省理工學院分拆公司 A123 卻申請了破產,研發電池的前景似乎一片黯淡。不過靠著胡啟朝的關係,SolidEnergy 得以使用 A123 公司閒置的設施,包含乾燥潔淨室與生產設備,製造出電池原型。當 A123 在 2013 年被併購後,SolidEnergy 簽屬了合作協議,繼續利用他們的資源。

通常材料的變革,也代表製程及設備都要跟著汰舊換新,導致初期難以規模化,而且往往不切實際。但胡啟朝的團隊被迫採取比較「克難」的方式,利用現有的鋰離子生產設備,徹底了解哪些材料可以用在這類製程上,才設計出了既新穎又具商業價值的電池。

經過 3 年努力,SolidEnergy 終於搬到了位在沃本(Woburn)的全新總部,這裡擁有全國最先進的實驗設施,並且比原本的地方大上 10 倍,可以塞得下一具波音 747 的機翼。他們接著下一步,就是在 11 月推出產品,率先在能源科技領域立下一座新的里程碑。

(首圖來源:MIT News) 

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