Only Perception: 超速版「愛迪生電池」

2012-06-29

超速版「愛迪生電池」

Scientists spark new interest in the century-old Edison battery
http://phys.org/news/2012-06-scientists-century-old-edison-battery.html

June 26, 2012

史丹佛大學科學家賜與鎳鐵電池（nickel-iron battery）新生。那是一種可重複充電的技術，在一百多年前由愛迪生（Thomas Edison）所開發。

愛迪生電池在 1900 年代初期被設計用來供電給電動車，對於這種電池的愛好大部分在 1970 年代中期消失。今日僅有少數幾家公司製造鎳鐵電池，主要用來儲存來自太陽能板或風力渦輪發電機的多餘電力。

"愛迪生電池非常耐用，不過它有一些缺點，" Hongjie Dai（戴宏杰）表示，一位史丹佛化學教授。"典型的電池要花數小時充電，而放電率也是非常緩慢。"

現在，Dai 以及他的史丹佛同僚大幅改善這種百年技術的效能。這個史丹佛團隊創造出一種超快的鎳鐵電池，大約二分鐘就能充電完成，不到 30 秒就能放電完畢。這些成果發表在 6/26 當期的 Nature Communications 上。

"我們將充、放電率增加了近千倍，" 史丹佛畢業生 Hailiang Wang（王海量）表示，該研究的第一作者。"我們使它變得飛快。"

這種高效能、低成本的電池有朝一日能用來供電給電動車，與愛迪生最初本意十分相似，Dai 表示。"希望我們能賦予這種鎳鐵電池新生，" 他補充。

電動車

愛迪生，全電動車輛的早期倡議者，約於 1900 年左右開始製造鎳鐵電池。直到 1920 年左右，均用在電動車上。這種電池的長壽與可靠，使得它在 20 世紀中葉之前，一直都是鐵路、礦業與其它產業的熱門備用電源。

愛迪生創造出來的鎳鐵電池，是腐蝕性鉛酸電池的廉價替代品。其基本設計包含二種電極 -- 鎳製成的陰極與鐵製成的陽極 -- 浸在鹼性溶液中。"重要的是，鎳與鐵都是地球上豐富的元素且相對來說無毒，" Dai 提道。

碳纖維（Carbon）早被用來強化電極的導電性。為了改善愛迪生電池的效能，史丹佛團隊使用石墨烯（graphene，奈米化的碳層，厚度只有一個原子）與多壁（multi-walled）奈米碳管，每一根大約由 10 張石墨烯薄片以同心方式捲成。

"在傳統的電極中，人們隨機將鐵、鎳材料與具導電性的碳混合，" Wang 解釋。"相反的，我們在石墨烯上生長氧化鐵的奈米結晶，在奈米碳管上生長氫氧化鎳。"

這種技術在金屬粒子與碳奈米物質間產生強烈的化學結合，那對效能產生重大影響。"在碳基質上耦合鎳與鐵粒子，使電荷能在電極與外部電路間迅速移動，" Dai 說。"結果就是一個超快速版本的鎳鐵電池，能在幾秒內充、放電。"

未來應用

1 伏特的原型電池已佈署在 Dai 的實驗室中，其電力僅足以運作一具閃光燈。研究者的目標是要製造出更大的電池，為電力網或運輸所用。

絕大部分的電動車，例如 Nissan Leaf、Chevy Volt，都靠鋰離子電池來運作，那能儲存許多能量，不過得花數小時來充電。"因為能量密度未臻理想，我們的電池也許無法靠自身供電給電動車，" Wang 說。"不過它能輔助鋰離子電池，為了更快的加速與再生式煞車（regenerative braking），提供真正的功率提昇（power boost）。"

強化的愛迪生電池也許在緊急狀況下格外有用，Dai 補充。"那也許有軍事上的應用，例如，你得要替某樣東西迅速充電，" 他說。

"那毫無疑問可以縮放，" Wang 說。"鎳、鐵與碳相對價廉。而電解質只是氫氧化鉀，那也是非常便宜且安全。那不會把車給炸了。"

這個原型電池有個關鍵缺陷 -- 維持電荷的能力。"那沒有我們想要的充放電循環穩定性，" Dai 說。"現在，只要約 800 個週期，它就會衰退約百分之 20。那與鋰離子電池差不多。不過我們的電池真的快，所以我們會更頻繁地使用它們。在理想狀態下，我們不想讓它有任何衰退。"

"強烈耦合之奈米材料的運用，代表一種令人非常振奮的電極製造方法，" 他說。"那與傳統方法不同，那只有單單將材料混在一起。我認為 Thomas Edison 將樂意看到目前這樣的進展。"

※ 相關報導：

＊ An ultrafast nickel–iron battery from strongly coupled inorganic nanoparticle/nanocarbon hybrid materials
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n6/full/ncomms1921.html

Hailiang Wan, Yongye Liang, Ming Gong, Yanguang Li,
Wesley Chang, Tyler Mefford, Jigang Zhou, Jian Wang,
Tom Regier, Fei Wei, Hongjie Dai
Nature Communications 3, Article number: 917
doi: 10.1038/ncomms1921