【Wired 硬塞】火來水去都不怕,科學家開發出近乎無敵的鋰離子電池

被切割、扭曲、浸水、槍擊、著火都一樣可以正常供電!
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Photo Credit:Shutterstock/達志影像
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原文來自 Wired《Scientists Made a Nearly Invincible Lithium-Ion Battery》,作者 Daniel Oberhaus。 台灣康泰納仕集團授權提供。本文由譯者 Cher Chang 翻譯並經 INSIDE 編審。

因為有了鋰離子電池才有我們現今世界。目前市面上充電型的電子產品,如手機、筆電、乃至於電子菸與電動汽車都是由鋰離子電池供電。雖然這種電池小小的儲電量就很高(high energy density),但鋰離子電池並非完美。其原料的有毒易燃物質意味著任何瑕疵都可能導致電子產品爆炸 。

由 約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins Applied Physics Laboratory,以下簡稱APL)物理學家領軍的研究群深信一定有更安全的電池。因此過去五年來他們埋首研發的新型鋰離子電池似乎做到無堅不摧的程度。雖說早在2017年馬里蘭大學(University of Maryland)的研究員們就已經發表過一款能在被切割、槍擊、扭曲、浸水過都還能持續供電的新型電池。但在 2017年底,約翰霍普金斯的研究團隊更進一步擴增其防火性能,並將電壓提高到了與電動車用等級的水準。(三星去捶心肝吧!

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位於新電池核心的電解液是鋰鹽與抗燃抗爆的柔性可塑材料的混合物。圖片由約翰霍普金斯應用物理實驗室提供。

領導該研究的 APL 資深科學家 Gerasopoulos 表示:「創造堅不可摧的電池,秘訣在於分隔電池的正負兩端的電解液。」使用鋰離子電池時,帶電的鋰顆粒會從陽極(負極)到陰極(正極)穿過電解液中的屏障,並在其中發生化學反應並產生能量。

APL 材料科學計畫經理傑夫·馬蘭奇(Jeff Maranchi)說道,大多數鋰離子電解質都是易燃的鋰鹽和有毒液體的混合物,等同於一個個可能導致災難的「未爆彈」。如果分隔陰極與陽極的可滲透屏障破裂,則會造成短路,並產生大量熱能。當這些熱能撞擊到電池中富氧陰極旁邊的高度易燃的材料(如鋰離子電解液)時,你手中的電子設備就燒起來了

以前水性電池因為電解質主要是水,所以既不易燃又無毒。不過,這種 25 年的老科技其實對現代而言不夠用了。APL 小組發現,只要提高鋰鹽的濃度並將電解液與聚合物(一種像塑料般柔軟的材料)混合,它們可能會將電力從 1.2 伏特提高到 4 伏特,相當於電動車用鋰離子電池等級。

當 Gerasopoulos 和他的同事們將陽極和陰極連接到這種類塑料的電解液上時,創造出前所未有的鋰離子電池。它像隱形眼鏡一樣透明可彎折,同時也無毒抗燃。製造時與使用時都不需要外殼。除此之外,它幾乎可以承受任何形式的破壞。

如影片所示,APL 團隊將設備浸入鹽水中、用剪刀剪、用空氣砲模擬彈道射擊、最後還點火燒。每次極端測試中電池供電都沒有間斷,即使用火燒後,只要把焦掉的部分剪掉之後,還能持續供電 100 小時。

Maranchi 說,新型電解水為基底的電池不僅是實驗室作品,更與不願具名的鋰離子電池製造商們研擬量產,預計兩年內這種前所未有的超強電池就能問市。

有趣的是,這種電池具彈性,除了讓穿戴式科技產品如有神助,甚至還能成為衣服纖維一部分。新型電池的超強韌性也很適合支援軍用與科學實驗相關的產品,例如水中自動駕駛器、無人機、以及衛星等。

儘管如此還是有很多技術面的問題要克服,離如這種水性電池能夠承受的連續充電次數。目前一般智慧型手機大概能夠充電超過 1000 次,但 APL 開發的新型電池充電超過 100 次就開始效能降低。 Gerasopoulos 說,或許微調電解液的化學元素應該可以解決這個問題。

會爆炸的3C科技產品,該是說再見的時候了。



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