加拿大蒙特利爾的麥基爾大學(McGill University)與國營的魁北克電力公司(Hydro-Quebec)旗下研究機構IREQ合作,可望讓使用者再也不必面對忘記充電後無法使用手機的沮喪經驗了。麥基爾大學採礦與材料工程系教授George Demopoulos表示,鋰離子電池雖然讓各種行動裝置得以普及,但由於能源密度有限,仍然需要頻繁的充電。

這種限制引發研究人員對於開發可攜式太陽能充電器的興趣。但Demopoulos指出,由於複雜的電路和封裝問題,難以讓這些混合裝置小型化。因此,麥吉爾大學的研究人員們致力於開發能夠利用光進行能量採集與儲存的單一裝置,從而達到了自充電電池的第一個里程碑。

20170606_battery_NT31P1 圖1:FTO/LFP NP/DYE電極的示意圖

Demopoulos自2010年以來一直與Hydro Quebec合作,進行鋰電池和太陽能電池的製造。2014年,他向麥吉爾大學申請休假研究,在IREQ與博士後研究人員Andrea Paolella一起試驗了利用光採集製造自充電電池的想法,如同染料敏化(dye-sensitized)太陽能電池一樣。Demopoulos自2007年起一直在從事與染料敏化太陽能電池相關的研發,因而開始了與電池的不解之緣。

在早期階段,這方面的研究集中於單個光電極——用燈泡照射半個電池作為示範,看電池是否能夠吸收光能並儲存電能。但Demopoulos說,研究人員們想知道的是「我們面前的這兩種(燈泡、電池)裝置,可以合二為一嗎?經過幾週的光電極照射後,我們開始看到電流的流動,」Demopoulos對於Paolella的耐心讚不絕口,因為一開始的兩個星期內什麼都沒有發生。

研究團隊在獲得加拿大自然科學暨工程研究委員會(NSERC)的資助後,目前正展開該計劃第二階段的工作。在2017年4月號的《自然通訊》(Nature Communications)期刊中,研究人員詳細描述了染料敏化太陽能電池技術如何與鋰離子材料相結合以探究光輔助電池的充電的過程。

基本上,磷酸鐵鋰能有效地作為可逆的氧化還原劑,用於染料的再生,研究人員的研究結果描述了促進光充電(photo-rechargeable)鋰離子電池設計原理的可能性。

該實驗的第一階段沒有實際的裝置,並且在無濕度的乾燥室中進行。此外,各種實體元件從未被封裝在單一容器中。「不僅僅是光線,實驗中的氧氣也起著關鍵作用。」 Demopoulos說:「電池中不能存在氧氣。所以,下一階段是要設法取代氧氣,然後再進一步加以封裝。」

他說,這項研究計劃預計要花大約五至十年的時間。「我們將會需要重新設計可吸收光的行動裝置。」例如,螢幕可以吸收光。

20170606_battery_NT31P2 圖2:霓虹光照射(紅線)的開路電壓(OCV):在經過平緩的3.40V後,電壓升至3.75V;在使用黑盒子的黑暗環境(藍線),電壓如預期般,在500小時內從3.44V略降至3.41V。插圖顯示使用太陽能模擬器(綠線)照射下OCV的變化

IREQ能源儲存和管理總監Karim Zaghib表示,已經設計出能吸收光的電極,NSERC的經費贊助將給予他們縮小差距的機會,並證明光充電電池的可能性。該機構從事鋰電池相關業務已有五十年的歷史了;Zaghib個人也在那裡工作了22年。目前,提出新的充電方法是Zaghib和其它研究人員致力於解決的關鍵挑戰。他說:「大家都想要快速充電,我們必須找到另一個來源。」

他說,擁有一款同時能夠採集能量並加以儲存的裝置,一直是個反覆被討論的主題。電池的尺寸已不再是問題,因為研究人員使用的是離子磷酸鹽電池,而不是鋰電池。「問題不在於能量密度,我們已有解決辦法了。」Zaghib說:「現在的問題是如何快速充電。」而另一個挑戰則是讓電池擁有足夠的充電次數,目標是在未來五年內達到500次充放電週期。

預計在未來十年,越來越多的智慧家庭將會採用太陽能供電,自充電電池也可望在家中派上用場,白天由陽光充電並在夜間使用。雖然目前的研究還圍繞在小尺寸的電池,但Zaghib看好為能量儲存等應用開發出10-20千瓦時(kwh)更大尺寸電池的潛力。他說:「如今,如果你想要在自家發電,必須在屋頂上安裝太陽能板,並且把電池放置於家中地下室或車庫。」

而自充電電池的概念意味著家庭中的太陽能發電系統只需放在屋頂上,Zaghib說,這個概念甚至還可以導入車子,不過還需要更多的考慮,因為車用電池通常放在底盤。總之,「我們正思考一些新的設計,」Zaghib說。

(參考原文:Are Self-Charging Batteries a Decade Away?,by Gary Hilson)