研究人員成功開發出固態超級電容,減少爆炸及燃燒風險

奈米碳纖維製成的布料Credit: Drexel University

美國卓克索大學 ( Drexel University) 一班研究人員最近創造了一種布料般的電極,可以讓儲能元件──電池與超級電容──速度更快並且不容易漏液或熔毀,提供了一個含可燃電解液電容以外的替代方案。

電池和電容中的電解液可能具腐蝕性或是有毒,並且幾乎都可燃,為了搭配行動裝置,設計儲能元件時便受到尺寸上的限制,卻也同時使之容易短路,若再加上可燃電解液,便存在著爆炸風險,如同先前三星的 Galaxy Note 電池所發生的意外。

電容與電池相仿,它們可以儲存與釋放電能,但是在應用上與長時間放電的電池不同,電容因為可以在短時間內放電而通常作為備用電源。而兩者都會使用可燃電解液,所以都要防止漏液與靠近火源。

擺脫可燃物

這種由卓克索工學院的菲巴.卡歐拉 ( Vibha Kalra ) 博士與其團隊設計的電容,使用了吸附在多孔奈米炭纖維 ( carbon nanofiber ) 上的膠狀電解質而非可燃電解液。這個團隊包含了卡歐拉的博士研究生賽拉斯.希摩托 ( Silas Simotwo ) 和天普大學 ( Temple University ) 的兩位博士斯蒂芬妮.旺德 ( Stephanie L.Wunder ) 和帕拉梅斯瓦拉.清南 ( Parameswara Chinnam ),他們今年九月在美國化學學會 ( American Chemical Society ) 的期刊《應用材料與介面》( Applied Materials and Interfaces ) 上發表這個「無溶劑固態電容」的新設計。

該團隊的電容不僅是無溶劑──代表不含可燃電解液,緊緻的設計讓它更耐用,而容量與可充放電次數都勝過目前的電容,並且能夠在攝氏300度下運作,也就是說大幅降低讓行動裝置著火的可能。

「我們完全消除了元件中會著火的部分,與此同時也創造了讓儲能元件更輕更好的電極。為了容許工業級的電極厚度與負載,我們開發了由奈米碳纖維製成的布質電極,提供一個容易注入電解質前體 ( precursor ) 的三維開孔結構。同時這樣的電極沒有會造成絕緣與降低效能的接合劑。」卡歐拉說。

要製作這樣耐用元件的關鍵是一個纖維般的電極骨架,其需要透過靜電紡絲( electrospinning )製成。該製程是將含碳前體聚合物的溶液在旋轉的電場中沉積成一個片狀纖維,在微觀尺度下看起來會有點像是製作棉花糖。接著將離子凝膠( ionogel )吸附在碳纖維墊子上來完成完整的電極與電解質通路,這種可以讓電極與電解質有很大接觸表面積的獨特結合方式也是它能有絕佳表現的原因。

提升效能

如果將儲能元件比喻為一碗玉米片,那麼實際發生儲能的位置大約是在玉米片與牛奶接觸的地方,科學家稱之為「電雙層」( electrical double layer ),是導電性電極碰上帶電荷的電解質的位置。理想上每片玉米片都會浸泡在牛奶中,但有時玉米片堆疊太密而牛奶──這個比喻中對應電解液的部分──無法均勻濕潤每片玉米片,有些太乾,有些太濕,如同電解液中的電子碰不到電極,讓儲存能量的效果較差。

卡歐拉研發的固態電容像是一碗碎麥片而不是玉米片,鬆散間隙讓牛奶可以滲透與包覆麥片,如同離子凝膠滲透電容中的碳纖維墊一樣,這個纖維墊提供了凝膠中離子廣大的表面積接觸電極,提升了儲能的容量與表現,也消除了構築實體電極所需要,卻無法幫助儲能又增加重量的支架性材料。

「目前的製作電極技術是將粉末與接合劑混和成漿狀,再用在元件上,這些接合劑因為不是導體,僅單純增加重量,且實際上阻礙了它的效能。我們的電極無須支撐,所以不需要使用佔了電極製作成本 20% 的接合劑。」卡歐拉說。

卡歐拉團隊的下一步將會是把這份技術用在製作固態電池上,同時探索這種智慧布料的更多用途。

 

參考資料:

  1. Researchers develop solid-state, free-standing carbon nanofiber supercapacitor. (2017, September 20). Retrieved November 22, 2017.
  2. Simotwo, S. K., Chinnam, P. R., Wunder, S. L., & Kalra, V. (2017). Highly Durable, Self-Standing Solid-State Supercapacitor Based on an Ionic Liquid-Rich Ionogel and Porous Carbon Nanofiber Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(39), 33749-33757. doi:10.1021/acsami.7b07479
EA
實習編輯,初出茅廬的社會新鮮人,在生活的庸碌中探索理想、生活還有理想的生活的模樣。

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