同步辐射:超级电池超级能耐

随着科技日新月异、生活水準提升所带来的化石燃料即将枯竭和日益严重的环境汙染问题,各国无不重视发展来自太阳、风力等可再生且具永续性的洁净能源。然而,对这些具有间歇性的可再生洁净能源而言,良好的储能系统与装置相当重要。基于能够大量生产且具备环保与绿色概念,新一代的储能装置必须同时符合製程低成本、材料低汙染并可回收、装置操作安全,且使用寿命长等的要求。

超级电容

超级电容器又称为电化学电容器,是一种重要且极具潜力的储能装置,因为它比大部分电池能更快速地充放电且使用寿命较长,同时拥有优于传统电容器的续航力。因此,超级电容器在近十年非常受到重视。根据储能机制的不同,超级电容器可分为3大类:电双层电容器、拟电容器及混合式超级电容电池或称为超级电池

电双层电容器是利用电极与电解液界面间库侖静电力造成电荷分离的现象来储能,常以各种高表面积、高孔隙度活性碳或奈米碳管等做为电极材料。

拟电容器则利用电极活性材料在电解液中发生氧化还原电化学反应以储能。因为牵涉到整体活性物质的法拉第电荷转移,单位电极面积电容值远高于电双层电容器,而电极活性物质须在一定的操作电位範围内进行大量、快速、连续且可逆的电化学反应,因此具备多种可变换化合状态或价数是电极材料的基本需求。

超级电池则是较新式的储能装置,结合部分拟电容器特性的法拉第电荷转移做为能量来源,与部分电双层电容器特性的库侖静电力做为功率来源。

超级电容器的应用範围相当广泛,包括在电动车上与电池组成複合电源系统,以弥补电池功率不足的缺点;做为3 C或医疗产品的高功率电源系统;做为备用电力的储存系统;做为记忆保护装置;做为可穿戴式电子装置等。

过渡金属氧化物电极材料如氧化锰、氧化铜、氧化钒、氧化镍等,除了可应用于离子电池电极材料且兼具优良的储能特性外,还可以延伸应用到电容器电极材料,不但使电容器价格更便宜,性能也大幅提升,更重要的是较环保。

2009年,全超级电容市场已超过2.75亿美元,这几年更以每年平均21.4%的成长率持续增加。近年来,为了满足人们对携带式或穿戴式电子产品的需求,超级电容器的应用快速增长,如应用于手机、可穿戴电子设备、可挠式显示器等。

超级电池新突破

美国范德堡大品特(Cary Pint)教授的研究团队最近设计出一种新的混合材料,结合了电容器和电池的优点,十分适合做成手机这类3C产品或行动装置的外壳,同时是一种超级电池(混合式电容器电池)。它的表现就像电容器一样,能够保持超长的充放电生命周期,还能储存以及提供相当于目前离子电池的能量。虽然能量密度仍低于离子电池,不过设计更大尺寸的外壳足以弥补能量的不足,更重要的是这设计还能省去传统电池所需占用的空间,有利于产品轻薄化。

此外,品特教授期望这种超级电池材料可应用于各种类型的建筑结构中,如房屋的外墙和侧(内)墙、飞机汽车的底盘等。把这种电池材料变成结构材料,具有与传统结构材料相同承载耐用性的储能装置,这储能系统的使用寿命也超过传统建筑材料。研究这种技术的主要目的是希望开发出能够整合于房屋中的储能材料,从而提高屋顶太阳能电池经济价值,并实现分布式电网系统。

虽然品特教授的研究团队所开发的超级电池目前能够储存的能量只约离子电池的1∕10,但可利用它们做为结构材料的数量与尺寸来弥补,更重要的是它们的寿命电池长1,000倍,非常适合应用于行动装置汽车飞机与房屋结构等。

虽然储存能量应该是最受重视的一个衡量指标,但储存能量少10倍,而使用次数多1,000倍,意味着在这系统使用寿命内可储存的能量多100倍。因此,这些超级电池更适合结构性的应用。如果每隔几年便因储能材料失效而需更换,开发这材料来盖房屋、製造汽车飞机就失去意义了。

美国史丹福大崔屹教授的研究团队也结合了超级电容器与电池技术,研发出衣电池、纸电池。衣服成为轻型的新能源储存媒介,可以充电或结合太阳能技术蓄电,有如把蓄电装置穿在身上,纸电池的出现则可望成为轻薄、高效能的能源储存装置。崔教授表示,他的研究团队一直在设计如何把奈米技术应用于生活中,而衣电池、纸电池就是奈米技术的简单生活应用。

电池的原理是把衣服布料(纤维)浸泡在含有奈米碳管的墨水中,奈米碳管便会附着在衣服纤维上,而它具有储存电荷的能力。这种技术也可以应用在其他棉製或高分子纤维的衣物上,让衣服具有储存电荷的能力。同时,这设计可以结合的应用非常多元,如衣服上可以装设电子显示器或利用衣服替手机等电子产品充电。这种衣电池与传统电池在储能和充电寿命上的表现差不多。

崔教授的研究团队目前也着手开发具备太阳能充电功能的衣电池。他认为,由于衣电池的应用技术不难,材料与成本并不太高,在几年内应该就可商业化。

而衣电池穿在身上是否有汙染或安全性等问题?他表示,衣电池会有特别组合包装,对于使用者的身体不会有危险。

至于纸电池,是可重複充电的二次电池,不同于目前以色列、芬兰所推出的纸电池属于一次电池。崔教授表示,其团队开发的纸电池除了可以应用于行动电子设备和可穿戴式电子装置外,还可以用于各种需要即时大容量电力的电器设备。而根据研究团队的测试,这种纸电池能重複充放电达4万次,是传统离子电池的10倍。

电池的原理是把一种内含碳奈米管与银奈米线的特製墨水溶液当成涂料涂布在纸张上,这涂料会形成一维结构的薄膜黏附在纤维状的纸张表面,涂布过后的纸张则会变成高导电性的储电元件,可以把能导电的纸张分别做为集电器和电极,组装成为低成本、轻盈且具高效能的纸电池

现在社会非常需要低成本、高效能的能源储存设备,如现有的电池和电容器。然而,在发展电动车与电动卡车的市场方面一直都有很大的障碍,因为电池的重量过重、寿命太短。如今有了轻薄的纸电池,不仅可以用在电动车油电混合车上,也能让电子产品的重量更轻、使用寿命更长,未来甚至可进一步开发出纸製电子产品。因为纸电池成本非常低,也很适合用于电网能源储存装置。

近年来,纸类印刷品因电子邮件、电子书网路电子媒体的问世而节节败退,几乎快要面临消失的命运,如今纸电池的发明有机会将其用于供应各种电子装置电力,可望让纸张扳回一城。

同步辐射技术的应用

随着能源问题日益受到热烈关注,不断研究与开发出各种储能电池材料。研究重点普遍在其奈米结构的设计与改良方面,较缺乏真实充放电过程中电池电极与电解液之间所牵涉到的储能机制的探讨,特别是超级电池方面,目前仅有少数氧化锰与氧化铜相关材料在水溶液与非水溶液等电解液中的探讨。只有充分了解充放电过程中的储能机制,才有机会找出储能电极与电解液材料最合适的搭配,达到电池的最佳效能。

要探讨充放电过程的储能反应与机制,往往需要搭配电解液做临场测试,国家同步辐射研究中心的几项研究设备都符合这条件。穿透式X光显微镜可用来即时观察充放电过程中储能电极材料是否有明显的膨胀反应,充放电过程中过度的膨胀容易造成储能材料的脆裂与脱落,影响电池的性能与使用寿命X光绕射则可用来了解充放电过程中材料的晶相变化,协助了解这些材料是否具可逆性。

此外,利用同步辐射X光吸收光谱技术搭配自行建立的实验模组,可用来即时观测储能电极材料在充放电过程中的电荷转移与价态变化。从实验过程中可以发现,当材料的价态变化或电荷转移越明显时,这材料的储能效能越佳。这个发现可协助选出最适合当作储能材料的氧化物价态与金属氧化物,并可以推导出合理的储能(电荷转移)机制。同时,可利用这模组了解材料的稳定性,甚至建立一套可以预测电池使用寿命的程式,用来推算各种材料连续充放电下的寿命,并有效排除瑕疵品。

在全能源逐渐耗竭的情况下,开发高效率的储能电池是解决的方法之一。随着材料工程和技术的快速发展,也许在未来几年,各式衣电池与纸电池就可成为日常生活中随处可见的超级电池了。

日期:2015/10/7

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