2008-09-03

MIT 以病毒開發出如細胞般大小的電池

MIT engineers work toward cell-sized batteries
http://www.physorg.com/news138451698.html

August 20, 2008
By Elizabeth Thomson

(PhysOrg.com) -- 忘了 9 伏特、三號(AAs)、四號(AAAs)或一號(D)電池吧!維持電子裝置的明日能源可能來自於微小的微電池(microbatteries),大小約人類細胞的一半,而且以病毒建立而成。

MIT 工程師開發了一種方法,透過將它們壓印(stamping)到各種表面上,就能同時創造與安裝這樣的微電池 -- 那有朝一日能提供電力給一系列小型裝置,從實驗室晶片(labs-on-a-chip)到植入式醫學感應器。

在 8/18 的 PNAS 上,該團隊描述組合並成功地測試這一種電池三種關鍵元件中的二個。一個完整的電池仍繼續開發中。

"就我們所知,這是微接觸印刷(microcontact printing)能用來製造與定位微電池電極的第一個實例,以及第一個在這樣的製程中使用基於病毒的配件(assembly)," MIT 教授 Paula T. Hammond、Angela M. Belcher、 Yet-Ming Chiang 與同僚們寫道。

更進一步地,這種科技本身 "並不涉及任何昂貴的設備,而且能在室溫下運作," Belcher 說,Germeshausen 材料科學與工程以及生物工程教授。

Hammond 是 Bayer 化工教授與化工系副系主任。Chiang 是材料科學與工程系的製陶教授。這三位教授都附屬於 MIT Energy Initiative,那旨在協助改革全球能源系統以符合未來的需要。Belcher 與 Hammond 亦為 MIT Koch 整合癌症研究所的教職員。

電池由二個相反的電極所組成 -- 陽極與陰極 -- 由某種電解質分離。在目前的研究中,MIT 團隊創造出陽極與電解質。

首先,該團隊使用一種稱為軟微影術(soft lithography)的常見技術在一塊透明的、有彈性的材料上創造出微柱(posts)圖案,其直徑不是 4 就是 8 微米。在這些柱子頂端,他們沈積了數層的二種聚合物,那一起作用成為固態電解質與電池分離器。

接著,那些優先在柱子上的聚合物層自我組裝的病毒,最後形成了陽極。在 2006 年,Hammond、Belcher、Chiang 等人在 Science 上報告如何辦到。明確地說,他們改變了病毒的基因,故它能使蛋白質外層 -- 那會聚集氧化鈷的分子以形成超細導線 -- 在一起,形成陽極。

最終結果:一個微柱圖章,每根柱子都覆蓋著電解質層與氧化鈷陽極。"我們接著翻轉圖章並將電解質與陽極轉移到一個鉑結構上," 那連同鋰箔,用於測試,Hammond 說。

該團隊在 PNAS 的論文中下結論:"所產生的電極陣列展現出完整的電化學功能。"

下一步呢?除了透過病毒組裝技術,開發出一個完整電池的第三部份 -- 負極 -- 之外,該團隊也在探索一種用於曲面的圖章,Belcher 說。"我們對於(電池)與生物有機體整合亦感興趣。"

※ 相關報導:

* Stamped microbattery electrodes based on self-assembled M13 viruses
http://www.pnas.org/content/early/2008/08/26/0711620105.abstract

Ki Tae Nam, Ryan Wartena, Pil J. Yoo, Forrest W. Liau,
Yun Jung Lee, Yet-Ming Chiang, Paula T. Hammond, and
Angela M. Belcher
Published online before print August 27, 2008,
doi: 10.1073/pnas.0711620105
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fsj 提到...

鋰電池快速充電新技術

【新華社╱紐約3月11日電】 2009.03.12

美國麻省理工學院的科學家開發出一種新的電池材料處理技術,可用來製造體積更小的充電電池,其充放電速度有望縮短到幾分鐘甚至幾秒鐘,而不是數小時。鋰電池是手機等小型移動電子設備最常用的電源之一,它們具有非常高的能量密度,很善於儲存能量,缺點是充電和放電的速度很慢。

科學家通常認為,造成鋰電池充放電速度慢的原因是負責攜帶電荷的鋰離子穿過電池材料的運動速度太慢。但麻省理工學院的科學家幾年前發現,按照計算機模型的預測,常見電池材料磷酸鐵鋰中的鋰離子運動速度應該非常快。

經過進一步計算,他們發現鋰離子只能通過這種材料表面上的通道迅速進入材料,那些沒有直接面對通道的鋰離子難以進入材料內部,因為它們無法運動到通道入口處。

麻省理工學院的這個研究小組在電池材料表面製造出了一種新型結構,讓鋰離子可以在材料表面迅速運動,如同汽車沿著「環城公路」高速行駛。運動中的鋰離子遇到一條通道時,就會立即進入電池材料。他們用這種技術製造出了一塊電池,其充放電速度只需10秒到20秒,相比之下,用未經處理的材料製成的電池需要6分鐘才能完全充放電。此外,用新技術製成的電池在反覆充放電的情況下失效較慢。

科學家說,這項技術有可能大大縮短手機和筆記本電腦的充電時間,還可用於製造出加速性能更好的電動汽車。將於3月12日出版的英國《自然》雜誌將刊登有關論文。