實現百年遺願!愛迪生「鎳鐵電池」靠仿生技術重生 秒充、循環萬次、壽命長達30年

本文經授權轉載自友站科技新報文/ Chen Kobe 

發明大王愛迪生在一百多年前,曾經設計了一款「鎳鐵電池」,可以讓電動車行駛160公里,是當年電動車的五倍以上,最終因為技術不足而無法實現,現在UCLA研究團隊運用最新科技,替愛迪生實現了這個夢想。

這款跨越時空的鎳鐵電池,經過現代科技重現之後,成為了壽命超長的儲能方式,根據該團隊發表的研究,這種電池能夠在數秒鐘就完成充電,充放電循環可達1萬2千次,假設每天循環一次,可以使用30年,關鍵就在電池配方。

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回到1901:愛迪生與他那顆「生不逢時」的超強電池

時間回到西元1901年,當時在路上跑的電動車,其實比燃油車還多,除了車價昂貴,那時候使用的鉛酸電池,只能提供車輛不到50公里的續航力,愛迪生(Thomas Edison)著手研究了全新的電池化學配方,提出鎳鐵電池概念,根據他的研究筆記,足以提供電動車150公里續航力,輾壓鉛酸電池。

可惜的是,在當時的技術下,這種電池笨重而且充電速度緩慢,後來隨著汽油引擎飛快進步,電池電動車很快就被淘汰,這份研究筆記也隨之塵封。

美國科學家撈出百年配方

UCLA 團隊撈出了愛迪生的這個概念後,他們發現問題不在材料,而在於「如何堆疊」。愛迪生的方法簡單粗暴,在正負極分別放上一片鎳跟鐵,浸入氫氧化鉀電解液。UCLA 則透過仿生科學與奈米科技,重新設計了鎳鐵電池,藉此解決原版的缺點。事實上,這份研究的正式名稱就叫做《以蛋白質為模板的鎳鐵次奈米結構儲能》。

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從「牛肉蛋白質」找回仿生靈感

「大自然教導我們該如何沉積礦物質,能夠創造出強壯又有韌性的結構。」團隊成員 Ric Kaner 表示,新電池的仿生靈感來自牛肉,他們利用牛肉的蛋白質結構,引導鎳金屬跟鐵金屬排列成所需的結構。為了控制這些金屬簇的大小,團隊必須將蛋白質結構孔洞限制在5奈米以下,在研究中他們甚至還觀測到鐵跟鎳的單原子態。

另一個仿生的對象在此登場:貝殼。以牛肉蛋白質為模板,真正的目標是要仿效貝殼的生長方式,讓鎳鐵金屬長成「外骨骼」的感覺,如此一來這些金屬原子不僅有完整穩固的結構,同時還具備大量的接觸面積,使氧化還原反應更快。在新製造方法之下,他們保留了愛迪生概念中的「電池壽命」優點,新增了「快速充放電」的優點,不過還是留下了一個缺點。

電動車可能跑不動,但它超長壽!

這種鎳鐵電池的能量密度遠不如電動車用鋰離子電池,根據團隊初步測試,其能量密度約為每公斤47Wh,大概只有市售鋰離子電池的五分之一,要裝上電動車幾乎不可能。但轉個方向,如果將這種壽命超長的電池用在不會移動的儲能裝置,或是搭配太陽能板,發揮其快速充電、壽命超長的特性,似乎也是一個新方向。

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