Only Perception: 奈米線陣列所組成的能源儲存裝置

2011-08-02

奈米線陣列所組成的能源儲存裝置

Energy storage device fabricated on a nanowire array
http://www.physorg.com/news/2011-07-scientists-battery-nanowire.html

By Lisa Zyga, August 1, 2011

在一次微型化能源儲存裝置進展的生動展示中，一個來自德州休士頓 Rice 大學的工程師團隊已製造出一款能源儲存裝置，在此所有必要的元件都被整合到一根奈米線上。這種奈米線能源儲存裝置（nanowire energy storage device）使研究者對於奈米級的電化學有更好的理解，此外，經最佳化後也能提供電力給奈米電子裝置。

Rice 工程師 Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, 以及 Pulickel M. Ajayan 已將他們對於奈米線能源儲存研究發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"我們的研究率先展示在單根奈米線上製造能源儲存裝置的三大元件：陽極、電解質與陰極，" Ajayan 表示。"這代表著奈米科技所允諾之微型化的終極形態，同時也是替未來的奈米科技應用，製造更複雜且有用之奈米線基石的一項進展。"

研究者首度製造出一款新的薄膜混合電化學系統，由鎳錫（Ni-Sn）陽極與聚苯胺（PANI）陰極組成，那展現出優良的電化學效能。身為混合電化學裝置（HED，hybrid electrochemical device），該系統在一套設計中結合了電池（高能量）以及超級電容（高電力）的優勢。為了在一個奈米線陣列上組裝相同的系統，研究者使用孔徑約 200 nm 的奈米線模板。將孔洞鍍上一層薄薄的銅之後，研究者在孔隙內灌入一半的 Ni-Sn 以製造陽極。接著，研究者透過化學方法擴大（widened）孔隙以便將 Ni-Sn 塗上薄薄的一層聚環氧乙烷（PEO）電解質，那權充隔離膜（separator）。最後，PANI 陰極透過某種浸潤（infiltration）過程整合到結構中。總得來說，整個奈米線只有幾微米長而總面積約為 0.5 cm^2。

研究者製造數個這種裝置然後將它們排成並聯（parallel）陣列以進行測試。對這些裝置進行充、放電，研究者藉此證明該裝置具有優良的整體充放電特性，這使得它們為奈米裝置供電上別具吸引力。

奈米線裝置的另一項優勢是，它們的電極並不包含任何鋰。雖然許多電池與 HEDs 都用了鋰，不過它限制了能量密度，同時因高溫合成，在製造上頗昂貴。相較之下，此處所用的電極材料（Ni-Sn 與 PANI）能在室溫下使用簡單的技術輕易合成，使得它們更加便宜。

"由於奈米電子裝置的進步，故出現更小（奈米級）能量來源的需求，" Ajayan 表示。"隨著奈米級電源的開發，也許能符合這種需求。此外，這種在個別奈米線上之全功能裝置的製造能幫助科學社群更進一步探索與更了解發生在奈米級界面的電化學。我們的裝置能當作一種工具來理解重要議題，諸如：自放電、滲漏電流以及奈米級能源儲存裝置的界面電阻（interfacial resistances）本質。"

在未來，研究者計畫研究進一步改善奈米線裝置效能的方法。例如，藉由最佳化二電極間之隔離膜的厚度，他們希望將自放電最小化，那經常因薄薄的隔離膜困擾著電池，同時改善低落的庫倫效率。研究者亦希望藉由使用不同的奈米線模板來增加電極長度，那能導致該裝置每單位面積容量增加。

"在目前，要猜想那能提供電力給哪些裝置仍不容易，" Ajayan 說。"我們已展示一個可用的奈米線陣列，那遍植（planted over）在一個約有 0.5 cm^2 的幾何區域上。在這種規模下的裝置能用來提供電力給數個 MEMS 裝置。最終，舉例來說，每一根奈米線電池都能供電給幾個奈米線半導體裝置。"

※ 相關報導：

＊ Building Energy Storage Device on a Single Nanowire
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl2017042