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▲ 此 PMMA （聚酸甲酯）電池的構造 (Photo Credit: University of California Irvine)

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。

據 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。」

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。」

▲ 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 100 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）。

資料來源:Inside

美國加州大學爾灣分校(University of California, Irvine；UCI)的研究人員在進行研究中意外發現，基於奈米線的電池材料能夠重複充電數十萬次，可望實現幾乎無需更換的電池。

研究人員在進行基於奈米線的電荷儲存機制研究時發現，其中所涉及的「線」(wire)是沈積的結構(僅以細長奈米線形式呈現)。根據研究人員表示，這是一種純金的奈米線，表面能以二氧化錳(MnO 2)塗覆或鑲嵌護套。該元件基本上是一種電容器，可在交錯的奈米線陣列之間形成電荷儲存電容，並懸浮於電解介質中。

以相同的材料來看，使用奈米線可提供較薄膜更高的電荷儲存。因為奈米線比人類的髮絲更細數千倍、而且具有高導電性，並具有較大表面積可供電子儲存與傳輸。純金奈米線約240nm寬與35nm厚；外殼厚度約在143-300nm之間。根據先前的研究工作發現，這些細絲極其脆弱，不易妥善保持用於重複放電、充電或充放電循環。因此，一般的鋰離子電池容易膨脹、變得脆弱，最後導致破裂。

UCI研究人員在二氧化錳外殼塗覆純金奈米線，並將該組裝包裹在以樹脂玻璃(Plexiglas)狀凝膠製造的電解質中，從而解決了這個問題。這種凝膠是聚酸甲酯(PMMA)與過氯酸鋰(LiClO 4：形成鋰離子電池的鋰離子來源)的組合，十分可靠且不易故障。

主導這項研究的——UCI博士候選人Mya Le Thai在三個月內循環測試電極達20萬次，未檢測到任何電量或電力損耗，也無損於任何奈米線。這項研究結果已經發表在美國化學學會(American Chemical Society)出版的最新一期《能源快報》(Energy Letters)中。

UC-Irvine博士候選人Mya Le Thai手握可讓鋰離子電池反覆充電幾十萬次的奈米線材料
（來源：UC Irvine）

UCI化學系主任Reginald Penner表示，「Mya一開始只是抱著好玩的心態，將極薄的凝膠完整塗覆在表面上，並開始進行充放電。她發現只需在奈米線材料上塗覆這種凝膠，就能重複充放電數十萬次，而不至於損耗任何容量。」

他並補充說，「這真的很厲害。因為電池通常最多經過5,000、6,000或7,000次充放電週期後就會整個壞掉而無法使用。」UCI研究人員所使用的結構特別採用高長寬比的奈米線，以便揭露或放大任何可能發生的故障效應：然而，卻始終未曾出現。

研究人員認為，這種凝膠將會塑化電池中的金屬氧化物，並賦予靈活性，以防止破裂。

「該塗層電極能更有效保持原有形狀，使其成為一個更可靠的選擇，」Thai說，「這項研究證實奈米線電池電極具有更長的使用壽命，讓我們得以真正實現這種長效電池。」

這項研究並與馬里蘭大學(University of Maryland)先進能源研究中心(Energy Frontier Research Center)電能儲存奈米結構(NEES)計劃合作，同時獲得了美國能源部(DoE)基礎能源科學部的資金贊助。

編譯：Susan Hong

(參考原文：Gel-Coated Nanowires Yield Batteries With Indefinite Cycle Life，by Graham Prophet)