通常「納米電池」多是指採用納米製程, 或是帶有納米尺度結構的電極, 電池大小並非以納米為單位, 而此次美國馬里蘭大學則帶來「名符其實」的納米固態鋰電池, 新型電池面積雖然跟郵票差不多大小, 但其實裡面暗藏玄機, 塞滿數百萬顆3D微電池 (microbattery) , 可說是成功製造出世上最小的電池組.
乍看之下每個3D微電池就像個又高又圓的房間, 有足夠的表面積組裝納米電池層, 因此在薄層與高表面積加成下, 能量密度與功率密度表現都相當不錯, 馬里蘭大學能源趨勢研究中心納米結構電儲能部 (NEES) 認為3D微電池將有助於讓固態電池從傳統的平面薄膜邁入3D技術, 在相同面積下電池可儲存更多能量, 功率密度也可以更高.
鋰離子電池主要由正極, 負極與電解質構成, 鋰離子透過電解質在兩極之間遊移, 若可增加電極與電解質的接觸面積, 將可加速離子移動速度並縮短到達另一端電極的速度, 因此表面積越高電池能量密度就越高, 這也是為什麼眾多科學家都想要打造3D電池.
但製造3D電池也不容易, 電池科學家10年來都致力於透過3D電池設計來提高功率密度與能量密度, 但至今都沒有任何一項研究與測試傳出捷報, 跨入商業化門檻.
為了進一步讓研究走出實驗室, NEES研究員首先在矽片上鑽出一個個比蜘蛛絲細又深的孔洞, 再透過原子層沉積技術 (atomic-layer deposition) , 加熱電池每個零件的材料, 將電極, 固態電解質與兩極電流集版 (Current Collector) 以單原子膜形式一層層的鍍在基底表面與孔洞中.
這種方式可以確保矽片每一個孔洞都被覆蓋, 提升電池的表面積, 而薄薄的電池層則可增加功率密度. 馬里蘭大學校助理研究科學家Keith Gregorczyk表示, 這研究顯示能量密度與功率密度會隨著表面績加大而增加.
且該電池一大優勢在於其電解質是固態的, 不會像傳統鋰離子電池裝載易燃的液態電解質, 主要研究員Gary Rubloff表示, 該技術製程跟半導體晶片一樣, 可直接整合到各種設備中, 不管是健康感測器還是手機都可以應用.
從手機, 3C產品到電動車或是大型儲能電廠, 鋰離子電池可說是無處不在, 為當今儲能技術主流, 但由於電解質具有安全性疑慮一直為人詬病, 該技術將有助於廠商製造出安全與輕便兼具的電池. 目前研究已發表在《ACS NANO》.
