2009-12-24

數位量子電池將能量密度提升 10 倍

Digital Quantum Battery Could Boost Energy Density Tenfold
http://www.physorg.com/news180704455.html

By Lisa Zyga, December 22, 2009

(PhysOrg.com) -- 物理學家建立理論:量子現象能大幅提升電池,有可能增加鋰離子電池的能量密度達 10 倍。根據這項新提議,數十億個奈米級電容器可利用量子效應的優勢來克服電弧形成(electric arcing),一種電氣故障現象,那限制傳統電容器可儲存的電荷數量。

在他們的研究中,Alfred Hubler 與 Onyeama Osuagwu(均屬於 Illinois 大學 Champaign 分校),調查在一個奈米真空管(那幾乎不含氣體)陣列的能量儲存能力。當這些真空管的間隙大小 -- 或著電極間的距離 -- 大約 10 奈米寬時,電弧形成就受到抑制,防止能量喪失。此外,每個真空管能個別處理,使得該技術能數位化,並提供資料儲存與能量儲存產生關連的可能性。

這些物理學家算出這些條件下所展現的大型電場,能導致比現今最好的電池技術高出 2 到 10 倍的能量密度。這些科學家也估計,功率密度(power density,例如充、放電速率)能比今日的電池要大上好幾個數量級。此外,充電與放電的本質避免了傳統電池所面臨的外洩,故這種奈米真空電池所耗損的能量非常小,且壽命幾乎無窮無盡。

科學家們表示,他們也許能在明年打造出電池原型。因為能量密度獨立於所使用的材料,因此奈米真空管能以廉價、無毒的材料製造。這些奈米真空管也能利用現存的光微影技術製造,而且容易與 IC 結合。

至於資料儲存的可能性,這些物理學家解釋,每個奈米真空管能有二個閘,一個能量閘極,一個資訊閘極。每個奈米真空管也能夠個別隨意充電、放電。將 MOSFET 插入奈米真空管之牆中,真空管的狀態就能夠在不充、放電的情況下測定。

"例如,要儲存 22 這個數值,某人可將它轉換成二進位標示 22 = 10110," 科學家在紙上寫道。"接著使用能量閘極對第一、第三與第四個真空管充電,而第二與第五個真空管則不充電。當能量閘持有電荷時,它在 MOSFET 中誘發電場,抵消一部份來自資訊閘極電極的電場,而那修改了 MOSFET 的臨界電壓(threshold voltage)。"

在讀取期間,一個稍微高於正常臨界電壓的電壓施加至資訊閘極,而 MOSFET 通道將變成導電或仍屬絕緣,端看 MOSFET 的臨界電壓,而這取決於能量閘極上的電荷。流經 MOSFET 通道的電流會被測量並提供二進位碼,重現已儲存的資料。

如同 Hubler 在近期 MIT Technology Review 的一篇文章中所解釋的,數位量子電池概念能以不同方式觀察,成為數種技術的一種變種。

"如果你從數位電子學的觀點來看,它只是一種快閃裝置," Hubler 說。"如果你從電機工程的觀點來看,你會說,這些是微型化的真空管,像電漿電視中的那些。如果你跟物理學家談,這是一個電容網絡。"

Hubler 已申請 DARPA 資金來開發數位量子電池的原型,並找出當以大量能量增加真空奈米管的負載時,實際上會發生什麼事。

※ 相關報導:

* Digital quantum batteries: Energy and information storage in nano vacuum tube arrays
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cplx.20306/abstract
Alfred W. Hubler and Onyeama Osuagwu
Complexity, Volume 15, Issue 5, pages 48–55, May/June 2010
doi:10.1002/cplx.20306
靈感來自電漿電視的數位量子電池

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