改造鋰電池新突破，儲電量充電速度都提升 10 倍！

多年來，電池一直是大多數電子消費品的薄弱環節。以智能手機為例，雖然技術日新月異，手機已經可以直接觀看高清影像，但是看不了多久就要充電。筆記型電腦雖然裝上了雙核、能夠揮灑自如地執行多任務，但只要全力運行幾小時，內部的電池就會耗盡。我們都經歷過這樣的尷尬：等待重要來電時，手機卻沒電了；最喜歡的歌曲快要開始，iPod 的指示燈卻滅了；死命跑到咖啡館，只為給筆記型電腦充電。多虧美國一組科學家最近取得的突破，這樣的尷尬將會越來越少。


著眼源頭，巧用夾心

這個研究組來自芝加哥的西北大學，研究帶頭人是芝大化學和生物工程系的教授哈羅德.孔博士（Harold Kung）。孔博士和他的同仁宣布，通過在電池中添加新的材料，他們已經能讓電池的儲電量和充電速度大大提高。近期的『高級能量材料』（Advanced Energy Materials）雜誌上刊登了對這項創新的介紹，執筆的孔博士等人在文中對新技術做了詳細描述。

這項研究的對像是鋰離子電池。現在市場上的大多數可充電設備都靠鋰離子電池供電，以目前的技​​術而論，它有兩個主要缺陷：一是電力供應有限，二是充電速度緩慢。眼下正有越來越多的消費者使用智能手機和平板電腦進行數據密集的操作，比如看電影、玩遊戲、上網瀏覽等等。因此，電池的性能自然就成為了大家關注的焦點。

為了提高用電效率，廠商紛紛在自己的產品上動起了腦筋，例如蘋果就剛剛完成了 iPhone 4S 的軟體更新，以解決耗電過快的問題；不久前發明的 E-MiLi 技術可以阻止手機在休眠模式下搜索信號，從而延長電池的續航能力；新問世的矽芯片可使處理器的效率倍增，讓設備在不耗盡電池的前提下完成密集操作；手機廠商甚至研發了透明的太陽能顯示螢幕貼膜，讓智能手機能在陽光中充電。

以上創意的出發點都是提高設備的用電效率；而孔博士等人的目標，則是增強電池本身的性能，從源頭上解決電力不足的問題。

顧名思義，鋰離子電池就是內部含有鋰離子的電池。每一塊鋰離子電池的正極都安裝了好幾層名叫『石墨烯』的材料，石墨烯是層層疊疊的碳原子，鋰離子位於這些碳層之間，每當電池充電或者耗電時，它們就從一個碳層移動到另一個碳層。充電，就是將鋰離子送往電池正極的過程，當所有離子都抵達正極，電池就充滿了。而在設備投入使用的時候，電池中的鋰離子就開始逐漸向負極移動，當它們全部抵達負極，電力即告耗盡。

孔博士和同事的目標是增加鋰離子電池的能量密度；換言之，如何在電池中儲存更多能量，以及如何更快地將能量存入取出。他們決定從改變電池正極的內部結構著手。

鋰離子電池的儲電量是由電池內部的鋰離子數量決定的。在由石墨烯組成的傳統鋰離子電池中，每六個碳原子可容納一個鋰原子。為了增加儲電量，科學家試過用矽來替換碳；矽的容量比碳大，每四個矽原子就能容納一個鋰原子，因此更善於儲電，但矽也有它的缺點，就是會在充電時膨脹收縮、發生碎裂，從而使電池迅速失去電力。

為了解決這個兩難問題，孔博士和同事想到了『夾心』的辦法：他們將細小的矽簇夾在兩層石墨烯中間。在充電和放電過程中，石墨烯和矽簇一起膨脹、收縮，卻又不至於破裂。這樣一來，不僅矽的形態得以保持穩定，穿梭於電池中的鋰離子數量也增加到了最大。孔博士告訴記者：『這辦法算是博採兩家之長，既用矽片提高了能量密度，又用夾心手法減少了矽的伸縮造成的電力損失。』

至此，儲電量的問題得以圓滿解決，那麼，如何才能讓充電速度更快呢？長久以來，鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態的製約：電池中的石墨烯片非常薄，厚度只有一個原子，相比之下，他的面積就顯得相當龐大了。充電時，鋰離子必須繞過面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移動到石墨烯片的邊緣處，然後回到兩片石墨烯中間停留，這個過程耗時漫長、頗費周張，導致石墨烯片的邊緣經常發生『交通阻塞』。

有鑑於此，研究人員自然想到了疏導交通的方法：既然決定充電時間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動速度，那為何不給這些離子開闢幾條捷徑呢？運用化學氧化過程，他們在石墨烯片上鑽出了數以百萬計的小孔，每一個小孔的直徑都在 10 到 20 納米之間。這樣一來，鋰離子就能更加自由地在電池中穿行，充電速度也隨之提高了。

經過夾心和鑽孔處理的鋰離子電池，其儲電量和充電速度都提高到了原來的 10 倍。


缺點有限，前途無量 

新技術雖然填補了鋰離子電池的現有缺陷，但它本身卻並非完美無缺：在充電 150 次之後，它的儲電量和充電速度都會驟降。但孔博士認為缺點有限，瑕不掩瑜，他說：『即便在經過了一年多的使用和 150 次的充電之後，新電池的效率仍比市場上現有的鋰離子電池高出 5 倍。』

自論文發表、成果公佈之後，孔博士就一直忙著招架風投公司的邀約。業界已經等不及要將這項成果商業化，將新電池投入批量生產了。參與研究的科學家則認為新技術尚不成熟，現在投產為時過早。他們指出，迄今完成的工作都集中在對電池正極的改良：也就電池供電時、電流進入電池的那一極，眼下需要的是繼續研究電流流出的負極，以期進一步提高電池性能。孔博士認為，如果進展順利，新產品有望在三到五年內走進商場。

一旦投產上市，它會對我們的日常生活產生什麼影響呢？首先肯定是讓各種電子產品更加經久耐用、充起電來更加快捷。未來的智能手機只要 15 分鐘就能充足電量，還能持續使用一周的時間。

從另一方面看，就算將電池的尺寸縮小為現在的 1/10，它的性能也可保持不變。只要見過 iPad 或者智能手機的電池，就會明白電池是阻礙電子產品小型化的重要因素。新技術一旦推廣，許多產品的體積都有望顯著縮小，到時候，手提電腦和助聽器就再也不需要攜帶那一塊塊沉甸甸的電池了。

不過，孔博士的心底還醞釀著更大的理想。他希望這種新型充電電池能以其更大的容量、更短的充電時間革新電驅動轎車技術。

『如果你的電驅動轎車不用每跑 60 英里（96.5 公里）就充一次電，而是可以一連跑上 600 公里，那麼電動轎車就會比現在好用很多。你不用在家充完電再上路，只要中途在加油站稍停片刻、充個 15 分鐘的電就行。如果能做到這一點，消費者接受電動車的阻力就會減小。』

他還指出，高品質的電池不僅可以推廣電動車，還能將太陽能和風能這些再生資源產生的電力儲存起來。這將使人類減少對化石燃料的依賴，在降低大氣中的碳排放的同時，減少對進口石油的依賴。

『有了儲存電力的簡單方法，我們這個電力世代就能更加倚重那些再生資源了。』他如此展望。

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