Only Perception: 病毒能製造出更好的鋰空氣電池？

2013-11-14

病毒能製造出更好的鋰空氣電池？

Better batteries through biology?
http://web.mit.edu/newsoffice/2013/better-batteries-through-biology-1113.html

David L. Chandler, MIT News Office
November 13, 2013

鋰空氣電池（Lithium-air batteries）近幾年成為熱門研究領域：它們有望在每單位電池重量下大幅增加電力，而那會使，例如：電動車的行駛距離更長。不過要使這個美夢成真將面臨諸多挑戰，包括需要為電池的電極開發更好、更耐用的電極，同時改善電池能夠承受的充、放電循環。

現在 MIT 的研究者發現，將經過基因改造、會產生奈米線（nanowires，這種奈米線的寬度約為一個紅血球，且能作為一種電池電極使用）的病毒，能幫助解決一些問題。

一篇發表在 Nature Communications 期刊中的論文敘述這項新研究，由畢業生 Dahyun Oh、Angela Belcher 與 Yang Shao-Horn 教授以及其他三位共同完成。其研究關鍵在於增加導線的表面面積，因而增加了電池在充、放電時，發生電化學活動的面積。

研究者們利用一種經過基因改造的病毒，稱為 M13，來製造一個奈米線陣列，每個寬度約 80 nm。這種病毒能從水中捕捉金屬分子並將之結合成結構化的形狀。在此例中，氧化錳的奈米線 -- 一種「受歡迎的」鋰空氣電池陰極材料，Belcher 表示 -- 實際上是由病毒所製造。但與透過傳統化學方法所「生長的」奈米線不同，這些由病毒所建立的奈米線具有粗糙、滿是尖刺的表面，那大幅增加其表面積。

Belcher（W.M. Keck 能源教授以及 MIT Koch 整合癌症研究所的成員）解釋，這種生物合成的過程「真的與一個鮑魚（abalone）如何生長牠的殼十分相似」 -- 此例中，是從海水中收集鈣並將之沈積在一固態的、相連的結構上。

Belcher 表示，利用此法增加表面積為鋰空氣電池的充、放電速度提供「很大的優勢」。她表示，這種製程也有其他潛在優勢：不像傳統的製造方法，那涉及能源密集的高溫與有害的化學物質，這種方法能在室溫下使用基於水的製程完成。而且，並非製造單一奈米線，這種病毒天生就會產生一種三維的、交錯連結的線狀結構，那為電極提供更好的穩定性。

此製程的最終部份是添加少量金屬，例如：鈀（palladium），那能大幅增加奈米線的導電性並允許它們在充、放電期間進行催化反應。其他小組曾嘗試利用純的或高度濃縮的金屬製造這樣的電池，不過這種新製程大幅降低所需要的昂貴材料數量。

總而言之，這些修改有潛力製造出能量密度（在一定重量下所能儲存的能量總量）比今日最佳的鋰離子電池（一種密切相關的技術，那是今日的頂級競爭者）還要大二到三倍的電池，研究者表示。

Belcher 強調，這是屬於初期階段的研究，需要進行更多研究，以製造出值得進行商業化生產的鋰空氣電池。這項研究只觀察一種元件的製造 -- 陰極；其他必要部份，包括電解質 -- 讓鋰離子從電池的一端電極穿越到另一端的離子導體 -- 需要更進一步的研究以找到可靠、耐用的材料。此外，雖然這種材料雖然成功經歷過 50 次的充電與放電，不過對於一個實用的電池而言，須能禁得起幾千次的循環。

雖然這些實驗使用病毒來進行分子組裝，不過 Belcher 表示，一旦這種電池的最佳材料被找到且經過測試，實際製造或許會以不同方式完成。這曾發生在她實驗室以前所開發的材料上，她說：這種化學物質最初利用生物學方法來開發，但之後，另一種更容易擴大到工業等級生產的方法則會在實際製造過程中取而代之。

Jie Xiao，西北太平洋國家實驗室的研究科學家，她並未涉及此研究，稱此研究「在引導『如何有效率地操縱（鋰空氣電池之催化反應）』的研究上，是一大貢獻」。她說這種「新穎的方法... 不僅為鋰空氣電池提供新的洞見，在此研究中所引介的樣板（template）也能很容易地為其他催化系統所採用」。

除了 Oh、Belcher 與 Shao-Horn 之外，這項研究的成員還包括 MIT 研究科學家 Jifa Qi 與 Yong Zhang 還有博士後 Yi-Chun Lu。這項研究由 U.S. Army Research Office 與 NSF 所支持。

※ 相關報導：

＊ Biologically enhanced cathode design for improved capacity and cycle life for lithium-oxygen batteries
http://www.nature.com/ncomms/2013/131113/ncomms3756/full/ncomms3756.html

Dahyun Oh, Jifa Qi, Yi-Chun Lu, Yong Zhang,
Yang Shao-Horn, Angela M. Belcher.
Nature Communications 4, Article number: 2756 (2013)
doi: 10.1038/ncomms3756