通常「纳米电池」多是指采用纳米制程, 或是带有纳米尺度结构的电极, 电池大小并非以纳米为单位, 而此次美国马里兰大学则带来「名符其实」的纳米固态锂电池, 新型电池面积虽然跟邮票差不多大小, 但其实里面暗藏玄机, 塞满数百万颗3D微电池 (microbattery) , 可说是成功制造出世上最小的电池组.
乍看之下每个3D微电池就像个又高又圆的房间, 有足够的表面积组装纳米电池层, 因此在薄层与高表面积加成下, 能量密度与功率密度表现都相当不错, 马里兰大学能源趋势研究中心纳米结构电储能部 (NEES) 认为3D微电池将有助于让固态电池从传统的平面薄膜迈入3D技术, 在相同面积下电池可储存更多能量, 功率密度也可以更高.
锂离子电池主要由正极, 负极与电解质构成, 锂离子透过电解质在两极之间游移, 若可增加电极与电解质的接触面积, 将可加速离子移动速度并缩短到达另一端电极的速度, 因此表面积越高电池能量密度就越高, 这也是为什么众多科学家都想要打造3D电池.
但制造3D电池也不容易, 电池科学家10年来都致力于透过3D电池设计来提高功率密度与能量密度, 但至今都没有任何一项研究与测试传出捷报, 跨入商业化门槛.
为了进一步让研究走出实验室, NEES研究员首先在硅片上钻出一个个比蜘蛛丝细又深的孔洞, 再透过原子层沉积技术 (atomic-layer deposition) , 加热电池每个零件的材料, 将电极, 固态电解质与两极电流集版 (Current Collector) 以单原子膜形式一层层的镀在基底表面与孔洞中.
这种方式可以确保硅片每一个孔洞都被覆盖, 提升电池的表面积, 而薄薄的电池层则可增加功率密度. 马里兰大学校助理研究科学家Keith Gregorczyk表示, 这研究显示能量密度与功率密度会随着表面绩加大而增加.
且该电池一大优势在于其电解质是固态的, 不会像传统锂离子电池装载易燃的液态电解质, 主要研究员Gary Rubloff表示, 该技术制程跟半导体芯片一样, 可直接整合到各种设备中, 不管是健康传感器还是手机都可以应用.
从手机, 3C产品到电动车或是大型储能电厂, 锂离子电池可说是无处不在, 为当今储能技术主流, 但由于电解质具有安全性疑虑一直为人诟病, 该技术将有助于厂商制造出安全与轻便兼具的电池. 目前研究已发表在《ACS NANO》.
