由百萬顆奈米 3D 電池組成,美國打造新型固態鋰電池

作者 | 發布日期 2018 年 09 月 19 日 8:15 | 分類 材料、設備 , 電池 follow us in feedly

通常「奈米電池」多是指採用奈米製程、或是帶有奈米尺度結構的電極,電池大小並非以奈米為單位,而此次美國馬里蘭大學則帶來「名符其實」的奈米固態鋰電池,新型電池面積雖然跟郵票差不多大小,但其實裡面暗藏玄機、塞滿數百萬顆 3D 微電池(microbattery),可說是成功製造出世上最小的電池組。



乍看之下每個 3D 微電池就像個又高又圓的房間,有足夠的表面積組裝奈米電池層,因此在薄層與高表面積加成下,能量密度與功率密度表現都相當不錯,馬里蘭大學能源趨勢研究中心奈米結構電儲能部(NEES)認為 3D 微電池將有助於讓固態電池從傳統的平面薄膜邁入 3D 技術,在相同面積下電池可儲存更多能量,功率密度也可以更高。

鋰離子電池主要由正極、負極與電解質構成,鋰離子透過電解質在兩極之間游移,若可增加電極與電解質的接觸面積,將可加速離子移動速度並縮短到達另一端電極的速度,因此表面積越高電池能量密度就越高,這也是為什麼眾多科學家都想要打造 3D 電池。

但製造 3D 電池也不容易,電池科學家 10 年來都致力於透過 3D 電池設計來提高功率密度與能量密度,但至今都沒有任何一項研究與測試傳出捷報,跨入商業化門檻。

(Source:ACS NANO

為了進一步讓研究走出實驗室,NEES 研究員首先在矽片上鑽出一個個比蜘蛛絲細又深的孔洞,再透過原子層沉積技術(atomic-layer deposition),加熱電池每個零件的材料,將電極、固態電解質與兩極電流集版(Current Collector)以單原子膜形式一層層的鍍在基底表面與孔洞中。

這種方式可以確保矽片每一個孔洞都被覆蓋,提升電池的表面積,而薄薄的電池層則可增加功率密度。馬里蘭大學校助理研究科學家 Keith Gregorczyk 表示,這研究顯示能量密度與功率密度會隨著表面績加大而增加。

且該電池一大優勢在於其電解質是固態的,不會像傳統鋰離子電池裝載易燃的液態電解質,主要研究員 Gary Rubloff 表示,該技術製程跟半導體晶片一樣,可直接整合到各種設備中,不管是健康感測器還是手機都可以應用。

從手機、3C 產品到電動車或是大型儲能電廠,鋰離子電池可說是無處不在,為當今儲能技術主流,但由於電解質具有安全性疑慮一直為人詬病,該技術將有助於廠商製造出安全與輕便兼具的電池。目前研究已發表在《ACS NANO》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay