Batteries get a quick charge with new anode technology
http://www.physorg.com/news/2011-11-batteries-quick-anode-technology.html
http://www.anl.gov/Media_Center/News/2011/news111102.html
By Jared Sagoff, November 3, 2011
(PhysOrg.com) -- 次世代電池成份中的一項突破或許來自一種特殊的材料，隨著時間過去，其結構會轉變成表現得更好。
一個來自美國能源部 Argonne 國家實驗室的研究團隊（由 Argonne 奈米科學家 Tijana Rajh 以及電池專家 Christopher Johnson 所領導）發現，當電池經歷充電循環（cycled）後，由二氧化鈦所組成的奈米管，能轉變它們的相（phase），逐漸提昇它們的可用容量（operational capacity）。實驗室測試證明，這種新電池，在不到 30 秒內，能重新充電至其原本容量的一半。
藉由將傳統的石墨陽極轉換成鈦奈米管所組成的，Rajh 以及她的同僚目擊了一種驚人的現象。電池在經歷過數次充電與放電的循環後，其內部結構開始以某種能大幅改善此電池效能的方式，自行確定其排列方向（began to orient itself）。
"當我們開始研究此材料時，我們並不預期這件事會發生，但陽極自發性地採用最佳結構，" Rajh 說。"此系統內部有種可塑性，當電池經歷充電循環後，允許它改變。"
根據 Argonne 奈米科學家 Hui Xiong（她與 Rajh 合作開發新陽極材料）表示，二氧化鈦看起來似乎不太可能會完全取代石墨。"我們從某種材料開始，我們未曾想過那會提供某種有用的用途，可是它卻轉變成某種東西，那賦予我們最棒的可能結果，" 她說。
Rajh 小組中的另一位研究者，Sanja Tepavcevic，亦採用類似方法為某種鈉離子奈米電池製造出一種自我改良的構造。
"這是一種高度不尋常的材料行為，" Jeff Chamberlain 補充，他是 Argonne 化學家，他領導實驗室的能源儲存主要倡議。"我們看見某種奈米級相變，從科學的觀點來看，那非常有趣，而且對這些材料的行為有更深入的理解，那將能解開用於電能儲存系統中的材料之謎。"
根據 Rajh，二氧化鈦似乎像是電池開發中，一種難以置信的解決方案，其理由在於此材料的非晶（amorphous）本質。因為非晶材料沒有內部秩序（internal order），它們缺乏高度有序的結晶材料的特殊電氣特性。然而，非晶材料在充電循環期間，不曾被人知道會經歷過如此深刻的結構轉變（structural transformations）。絕大部分已知的電池材料都經歷過相對轉變（opposite transition）：它們從高度結晶化開始，然後隨著充電週期過去，碎裂成非晶態。
二氧化鈦而非石墨的陽極組成亦改善鋰離子電池的可靠性與安全性。在某些例子中，鋰會脫離溶液並沈積在石墨陽極上，引發一種危險的連鎖反應，稱為熱散逸（thermal runaway，熱耗散）。"我們在鈦陽極進行的每一類型測試都證明，它們超級穩定，" Chamberlain 說。
這項 Argonne 發現來自於該實驗室二種旗艦級使用者設施：奈米級材料中心以及先進光子源。結合尖端奈米組裝技術與高強度 X 光以特徵化奈米管，Argonne 研究者從而能迅速觀察這種不尋常的行為。
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鎳鐵電池重生 兩分半快速充電
中央社 2012-06-28
美國著名發明家愛迪生早在蒸汽機和馬車時代就發明了鎳鐵電池，後來遭時代淘汰，但史丹福大學由華人戴宏傑領導的研究團隊加以改造，充電效率大增，或可在21世紀重獲新生。
這款新一代電池由加州史丹佛大學（Stanford University）化學系教授戴宏傑和他的研究團隊研發。據「洛杉磯時報」報導，戴宏傑表示：「我想愛?生見到這項進展，也會真的很高興。」
這種升級版電池能在約兩分半鐘內完成充電，並在30秒內放電，與目前電池充電得花上數小時相較，速度快了約1000倍。
研究人員表示，這種電池能以極快速度儲存和釋放能量，因此對再生能源工業可能大有助益，而且對於愛迪生原本設想的電動車也有幫助。
愛迪生（Thomas Edison）和發明夥伴甄格（Waldemar Jungner）1902年發明了鎳鐵電池，由兩個電極組成，一極為鎳，另一極為鐵，浸在鹼性溶液中。
鎳鐵電池的優勢在於原料充足且價格低廉，使用的溶液相對於有毒的鉛酸蓄電池也較無害。
1920年代之前，鎳鐵電池銷售供汽車使用，但因為鎳鐵電池不若汽油和柴油燃料引擎一樣強效，後來淡出市場。
另一個缺點是，鎳鐵電池充電速度慢。
研究人員將電極與奈米碳管及石墨烯結合，使其導電率劇增。石墨烯是一種由碳組成的超級材料。
戴宏傑在記者會上表示：「將鎳鐵粒子與碳基底結合，使電極與外部電路間的電荷能快速傳導。」
「結果變成超快版本的鎳鐵電池，能在幾秒內充電與放電。」
目前為止，戴宏傑的實驗室已製造出小型的一伏特原型電池，能用於手電筒。同樣尺寸而言，新型電池的能量密度是傳統鎳鐵電池的逾千倍。
研究人員說，這項技術已可以用來製造較大電池。這種電池在軍方可能也有些用途，並可用於緊急狀況需要快速充電時。
研究人員王海梁說：「我們的電池本身或許還無法為電動車供電，因為能量密度不理想。」
「但它能幫助（車內的）鋰離子電池，提升這些電池的動力，使車輛加速更快。」然後電池可從再生軔機補充電能。
這份研究昨天發表在「自然通訊」（Nature Communication）期刊上。（譯者：中央社張雅亭）
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