華人科學(xué)家研發(fā)新型鋰金屬電池，可延長使用電子產(chǎn)品兩倍時(shí)間
2016-08-24 20:15:55 n這款電池基本上換掉了一般鋰電池使用的負(fù)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，并且提供更多電容量。對電解質(zhì)進(jìn)行化學(xué)改良后，也讓短命和具有揮發(fā)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(xiàn)存的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備制造出來，讓它們得以實(shí)踐規(guī)模化。
2015 年 10 月，SolidEnergy 首度展示了智能手機(jī)的可充電鋰金屬電池。擁有兩倍能量密度，尺寸只有 iphone 6 內(nèi)建鋰離子電池的一半大，卻能容納 2.0 安培小時(shí)的電量。相較之下，iphone 6 的電池只有 1,8 安培小時(shí)的電量而已。這項(xiàng)突破也讓他們贏取投資者信任，獲得了 1,200 萬美金的資助。
RFbmVyZ3kgTGl0aGl1bSBNZXRhbCBCYXR0ZXJ5">SolidEnergy 計(jì)劃在 2017 年初將電池應(yīng)用在智能手機(jī)與穿戴式設(shè)備上，緊接著在 2018 年進(jìn)軍電動(dòng)車領(lǐng)域。不過第一個(gè)應(yīng)用將會是在無人機(jī)上，預(yù)計(jì)在今年 11 月正式啟航。“目前已有顧客打算使用無人機(jī)或氣球，提供免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)到發(fā)展中國家，或是協(xié)助調(diào)查救災(zāi)等工作。”胡啟朝表示，能參與其中“相當(dāng)令人期待，而且這是具有崇高目的的應(yīng)用。”
將來，電動(dòng)車搭載這款電池上路后，也會帶來巨大的影響。以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來看，電動(dòng)車至少要充電一次就能行駛 200 英哩，才算合格。SolidEnergy 能在達(dá)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(guī)格，卻能充電一次就開到兩倍的距離。
電容量，就如同是電池的“圣杯”，電池的功能與價(jià)值均端賴于此。為了較佳電容量，并能持續(xù)使用，研究者十幾年來不斷嘗試研發(fā)可充電的鋰金屬電池，可惜都無濟(jì)于事。鋰金屬對于電池的電解質(zhì)反應(yīng)不佳。該液體會讓離子在正極（陰極）與負(fù)極（陽極）間傳導(dǎo)，形成化合物，增加電池之中的電阻并降低循環(huán)壽命；還會在負(fù)極上聚集一層鋰金屬針晶（dendrites），從而導(dǎo)致短路，甚至產(chǎn)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(jià)。像是將液態(tài)電解質(zhì)換成導(dǎo)電不佳的高分子固態(tài)電解質(zhì)，而且要經(jīng)高溫加熱后才有辦法運(yùn)作；或是采用無機(jī)電解質(zhì)，只是難以規(guī)模化。
胡啟朝在麻省理工學(xué)院作博士后研究時(shí)，跟隨的是著名的電池研究專家 Donald Sadoway 教授。他曾經(jīng)研發(fā)過幾款熔鹽及液態(tài)金屬電池，而胡啟朝則協(xié)助在鋰金屬電池方面進(jìn)行了部分的關(guān)鍵設(shè)計(jì)以及材料改良，也因此奠下了 SolidEnergy 技術(shù)的基石。
其中一個(gè)具有獨(dú)創(chuàng)性的技術(shù)，便是使用超薄的鋰金屬箔片作為電池負(fù)極，大約只有傳統(tǒng)鋰金屬電池負(fù)極 1/5 的厚度，也比石墨、碳或是矽做成的負(fù)極更輕薄了數(shù)倍。而這就是能壓縮電池尺寸的關(guān)鍵。然而，仍有一道重大關(guān)卡無法跨越，那就是它只能在攝氏 80 度以上的溫度中運(yùn)作。如果無法在室溫中發(fā)揮，那么這款電池在商業(yè)應(yīng)用上也會受到限制。
為了解決這個(gè)困境，胡啟朝研發(fā)出一種混合固態(tài)及液態(tài)的電解質(zhì)溶液。他在鋰金屬箔片上涂上一層固態(tài)電解質(zhì)，不必加熱就能發(fā)揮作用；并創(chuàng)造出一種不可燃的準(zhǔn)離子液態(tài)電解質(zhì)。而經(jīng)過化學(xué)改良的分隔器與零件設(shè)計(jì)，則能夠遏止鋰金屬的負(fù)面化學(xué)反應(yīng)。
最后的成果，就是該電池同時(shí)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(yùn)作。
至于在商業(yè)方面，胡啟朝當(dāng)時(shí)常常前往麻省理工學(xué)院馬丁基金創(chuàng)業(yè)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(yè)課程，并藉此招募成立了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，以新電池為主軸，共同研擬商業(yè)計(jì)劃。
他們靠著該計(jì)劃，在麻省理工學(xué)院的 10 萬美金創(chuàng)業(yè)競爭加速器大賽（MIT $100K Entrepreneurship Competition’s Accelerator Contest）上拔得頭籌，并進(jìn)入了 MIT 綠能獎(jiǎng)（MIT Clean Energy Prize）決選名單，最后代表麻省理工學(xué)院前往白宮參加全國綠能競賽，獲得第二名。
2012 年底，正當(dāng)胡啟朝蓄勢待發(fā)要成立 SolidEnergy 時(shí)，發(fā)展先進(jìn)鋰離子電池的另一間麻省理工學(xué)院分拆公司 A123 卻申請了破產(chǎn)，研發(fā)電池的前景似乎一片黯淡。不過靠著胡啟朝的關(guān)系，SolidEnergy 得以使用 A123 公司閑置的設(shè)施，包含干燥潔凈室與生產(chǎn)設(shè)備，制造出電池原型。當(dāng) A123 在 2013 年被并購后，SolidEnergy 簽屬了合作協(xié)議，繼續(xù)利用他們的資源。
通常材料的變革，也代表制程及設(shè)備都要跟著汰舊換新，導(dǎo)致初期難以規(guī)模化，而且往往不切實(shí)際。但胡啟朝的團(tuán)隊(duì)被迫采取比較“克難”的方式，利用現(xiàn)有的鋰離子生產(chǎn)設(shè)備，徹底了解哪些材料可以用在這類制程上，才設(shè)計(jì)出了既新穎又具商業(yè)價(jià)值的電池。
經(jīng)過 3 年努力，SolidEnergy 終于搬到了位在沃本（Woburn）的全新總部，這里擁有全國最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，并且比原本的地方大上 10 倍，可以塞得下一具波音 747 的機(jī)翼。他們接著下一步，就是在 11 月推出產(chǎn)品，率先在能源科技領(lǐng)域立下一座新的里程碑。
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