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高科技材料專題(三):螃蟹殼成為新電池材料

103/04/08 瀏覽次數 6158
在現今提倡環保與節能減碳的大環境下,如何運用最少的資源、能源來達到相同,甚至更好的效能是現今科學發展的趨勢。今日的電池隨著各種電子設備的快速進步,無論在體積與容量上都有更高的標準。鋰離子電池通常運用在手機、筆記型電腦、掌上型電子設備和照相機中,也因為這類電池多運用在高科技產品中,其效能、壽命與安全性一直都是發展的重點。將螃蟹殼運用在電池電極的製作,便是其中一個發展方向,不但能降低材料成本、有助環境保護,也可以增加電池的容量。

史丹佛大學材料科學教授崔屹(Cui Yi)的研究團隊在2013年的一份實驗報告中發表了關於電池電極材料的研究。通常我們看到的鋰離子電池是用鋰鈷氧化物當作陰極,碳棒當作陽極。如果能夠將電極材料加以轉換,如以矽為陰極,硫為陽極,那麼電池的電容量將會是現今的10倍以上。但是硫和矽的電極卻也會在放電充電的過程中,因為反覆的膨脹與收縮而破裂,降低了電池的壽命。

崔屹的團隊認為若是將硫和矽放入奈米碳纖維之類的奈米結構中,這樣會讓電極材料在受到保護的空間內膨脹與收縮而延長壽命。考量到螃蟹殼內的奈米管大小正好與電極的規格相近,他們先去除石蟹殼內的有機物質,將由碳酸鈣組成的螃蟹殼做成模板並將部分磨成粉末。此粉末與多巴胺溶液混合後塗抹在碳酸鈣的模板上會形成多巴胺聚合物的外層,再以高溫將外層的聚合物轉化為碳。最後用稀釋鹽酸將碳酸鈣侵蝕掉,只留下一束束充滿細孔,約65奈米寬的奈米碳纖維。將硫與矽放入奈米結構中又是另一項工程。研究團隊必須在氬氣中加熱奈米結構才能放入硫,另外再運用化學氣相沉積技術來將矽填入奈米結構中。

接著,他們需要另外製作設備來測試不同材料製成的電極在充電放電循環中的耗損程度。經過200次的循環後,硫電極可以維持原始60%的電容量,矽電極則維持在90%,而現在手機電池電極在500次的循環後,約能保持在80%的狀態。

雖然研究團隊也指出這個實驗的成果仍待更進一步的驗證,畢竟測試的內容並非完整的電池結構,但是這也為未來的電極研究提供了一個新的思維方向。加州大學的葛蘭.斯塔基(Galen D. Stucky)認為這種製造高效能電極的模板材料相當便宜,是一項重要的進步,但是其效能在多次使用後的維持能力,仍不足以運用在現實生活的產品中。崔屹也提到其研究團隊現在仍繼續進行其他生物模板的實驗,如最近他們在研究的稻糠。電極不再是一定要用昂貴的原料或特定的化合物來製作,或許垂手可得或毫不起眼,如螃蟹殼與稻糠這樣被視為廢棄物的東西,都可以成為未來人類生活用品的重要材料。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月)
 
責任編輯:王名儒|國立臺灣大學物理學系
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