在未來,電池數分鐘就能充滿電?

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出門最忌電話沒電,即使找到充電設施,若時間太短,充其量也只是「吊命」。英國劍橋大學研究人員就研發出一種簡單而低成本的技術,查看鋰離子電池內部,並能實時追蹤鋰離子在電池充電及釋放電力時的移動情況,寄望未來能藉此開發出數分鐘內就能完成充電的鋰電池。

該技術可助研究員了解充電過程中速度如何受限,若能夠解決問題,往後大多數智能電話及手提電腦的電池在短短 5 分鐘就能充滿電。研究員表示,他們的技術不但有助改進現有電池所用的物料,更能加速研發下一代電池。這次研究結果發表於期刊 Nature

與其他電池及儲能方式相比,鋰離子電池確實具有較高的能量密度及較長的使用壽命,但也有可能過熱甚至爆炸,生產成本亦相對較高。加上鋰電池的能量密度遠不及汽油,難以廣泛應用於電動車,以及太陽能發電的電網儲能(Grid energy storage)之中。劍橋卡文迪殊實驗室博士後研究員兼研究合著者 Christoph Schnedermann 指出:「更好的電池可以儲存更多能量,或者充電可以更快,理想情況是兩者兼而有之。而為了使用新物料製造性能更好的電池、改進目前使用的電池,我們需要更了解其內部情況。」

為此,研究人員需要實時追蹤及了解電池物質在實際運作中的活動。現有技術既耗時又昂貴,劍橋團隊於是開發出名為「干涉測量散射顯微鏡」(Interferometric scattering microscopy)的光學顯微鏡技術,以低成本觀察電池物質運作過程。他們能透過測量散射光的數量來觀察鋰鈷氧化物(Lithium cobalt oxide,LCO)在充電及釋放電力時單一粒子的情況。

他們以此觀察 LCO 在充放電的循環中的一系列相變(Phase transition),LCO 粒子內的相界(Phase boundary)隨著鋰離子進出而移動及變化。研究人員發現,界線的移動機制會因電池充電或放電而異。帶領這項研究的研究員 Akshay Rao 進一步指:「我們發現鋰離子電池有不同的速度限制,具體取決於它是在充電還是放電。充電的速度,取決於鋰離子通過活性物質粒子的速度。放電的速度,則取決於離子在邊緣嵌入的速度。」如果能夠控制這兩種機制,就有望令鋰離子電池充電速度更快。

Schnedermann 亦說:「鋰離子電池已使用幾十年,我們理應已了解關於它的一切,但事實並非如此,這項技術讓我們展望充放電循環速度可以有多快。而真正令人期待的,是使用這項技術來研究下一代電池物料,我們可利用學到的 LCO 知識研發新物料。」