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[信息] 小小奈米草”电池

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发表于 2008-12-3 12:37:24 | 显示全部楼层

小小奈米草”电池

电池缩小军,待命15年  - 奈米电池出现后,电源装置终于能和其他电子装置一起缩小。
Miniaturized POWER
作者╱蔡宙 ( Charles Q. Choi )
译者╱甘锡安

  1947年发明的电晶体,从当时一、两公分大的新奇玩意,缩小到目前尺寸号称只有几百个原子的元件。但另一方面,电池供电的进步程度大概只有电晶体的的1/50。
  製作出史上第一个电晶体的贝尔实验室,现在也加入重新发明电池的行列。他们的目标是运用製造电晶体的技术,大量生产能跟其他电路做在同一块晶片上的电池。这种称为「奈米电池」的装置,将电极的线宽缩小到奈米尺度。
  奈米电池的设计让它可休眠至少15年,或许可当做感测器的电源,用以监测放射线,或是追踪毒性化学物的累积。电池在甦醒之后,立刻就能提供相当大的电能。这个概念还可用以製作史上第一款用完后能自我清理的电池,所使用的方法是中和电池内含的毒性物质。

种植奈米草

  奈米电池的开发缘起于贝尔实验室先前进军奈米科技的行动。2002年秋季,贝尔实验室的母公司朗讯科技,准备跟纽泽西州政府与纽泽西理工学院合作成立纽泽西州奈米科技联盟。目标是让产、官、学各领域的奈米科技人才,都能使用该公司研究、开发与製作原型产品的服务。贝尔实验室奈米科技研究副总裁毕夏普(David Bishop)已经开始为该公司科学家举行研讨会,分享他们的研究成果,讨论这些成果将可带来哪些供联盟成员进一步开发的创新应用。
  贝尔实验室简报主讲人克鲁本金(Tom Krupenkin)正在研究照相手机中常见的液态显微镜。这类镜头由小水滴构成,改变施加在接触面的电压,就可改变水滴的形状,进而调整聚焦特性。随着电压改变,这些所谓的「电湿润」表面往往可由超疏水性变为亲水性。
  超疏水性就是让雨滴滚离鸭类羽毛或荷叶表面的特性。表面张力让水滴聚集成珠状,但水珠所在的物体表面则可能对它施加引力,使水珠扩散开来。在玻璃等亲水性物质上,水会扩散开来,但在超疏水性材料上,水滴会完全聚成球型,也就是跟表面完全没有交互作用。
  知道了水滴在超疏水表面上的反应后,克鲁本金推测电湿润作用有助于控制化学反应。他的构想是製作一排排超疏水性、奈米尺寸的柱子,让这些柱子有电湿润特性。在显微镜下,这些柱子就像一片整齐的「奈米草」。这种奈米草可用硅晶片产业近数十年来开发的标准技术製造。科学家在液体上施加电压后,即可造成反应,让柱子变成亲水性,将水滴向下吸,渗入奈米柱间的空隙。再与底部的化学物质进行化学反应。克鲁本金想到,可以利用这种液体製造电力,做成奈米电池。
  电池其实就是化学反应器。抛弃式电池有两个电极,分别是阳极和阴极,都浸泡在电解质溶液中。用以製成两个电极的化学物质透过电解质互相反应,产生电子。不过问题是,就算没有装置连接在电池上,化学反应仍会持续进行。不使用时,一般电池平均每年会损耗7~10%的电力。
  所谓的储备电池,是以实体屏障隔离电解质与电极,等开始使用时才让两者接触,非常强烈的电化学反应可提供强大的电能。为了将电解质与电极隔离,电池不得不做得庞大笨重,结果用途变得相当有限,仅限于医院加护病房或手术室等紧急状况,以及夜视镜或雷射照明等军事用途。
  奈米草的构想出现之后,将储备电池缩小的可能性也随之萌芽。克鲁本金还表示,除此之外,如果不想将所有化学物质一次全部反应掉,研发人员可将电池设计成每次只使用整片奈米草的一部份。
  贝尔实验室已经开始四处宣传奈米草的概念。毕夏普表示:「朗讯虽然不是电池公司,但很希望能革新电池。」2003年年底一场研讨会中,mPhase公司听取了朗讯关于奈米科技电池的简报。该公司工程研究与开发部门执行副总裁西蒙(Steve Simon)回忆当时状况:「我们离开简报室时说:『天哪,这真是太棒了。』」当时mPhase主要是家用宽频与视讯DSL元件公司,刚刚从微相公司(Microphase)的一个部门独立出来,微相公司的母公司位于美国康乃迪克州诺华克,专门供应微波电子元件给军事、航太及电讯产业。
  电讯硬体逐渐变成普及的商品之后,mPhase执行长杜兰多(Ron Durando)希望将该公司转型为奈米科技供应商。他对装置有几个特别要求:不需要太多开发时间;没有医学用途而免于进行冗长的临床实验;以及能打进军事市场(因为它能支援奈米科技的装置初期量产时的高昂价格)。西蒙说:「电池正好符合以上三个条件。」
  2004年3月,mPhase签订合作开发协定,将奈米电池商品化。mPhase负责研究潜在客户对电池的需求,以做出可获利的装置,朗讯则提供技术授权代替权利金,还包括价值4亿5千万美元的无尘室,及拥有数十年硅製造技术经验的科学家以供谘询。

发挥作用

  2004年9月,科学家在实验室做出了可产生电流的运作模型。为了製作原型产品,团队必须製作出直径约300奈米,彼此间隔约2微米的硅柱。而在产生电能方面,研究人员採用一般硷性电池中的化学物质,用锌做阳极,锰做阴极。放置柱子的硅底板表面涂上锌,柱子本身包裹二氧化硅,让研究人员可控制装置的电压,奈米柱顶端涂上类似铁氟龙的碳氟化合物,让柱子具备电湿润特性。
  克鲁本金强调:「这些东西用说的很简单,但做起来很不容易。」他还记得当时的状况,光是只在底部涂上锌就「有许多挑战接踵而来」。要在特定位置涂佈金属,科学家通常採用电镀法,但是电镀不能使用在氧化物上,二氧化硅製成的奈米草正是这类物质。因此必须想办法将硅柱包上一层氧化物,但硅底板表面不能沾上二氧化硅,好让锌能镀上底部表面。最后的解决方法是将硅底板和柱子都涂上二氧化硅,但尽量减薄底板上的氧化物层,接着再用离子化气体蚀刻整个装置表面,除去底板上的氧化物,但柱子表面仍包着一层二氧化硅。
  但是硅还是无法电镀。因此研究人员採用湿化学技术,先在底板涂上镍或钛当成种子层,以便电镀时能让锌固定在底板上。电镀锌时必须做得相当均匀,避免厚度不一的现象,最后必须辛苦地实验不同的温度、电流和化学物质的浓度。西蒙说:「回顾这段过程,我很讶异只花了一年。」
  科学家做出原型产品后,开始跟潜在客户商谈。这些讨论过程促使他们将电池彻底改头换面。原始设计是三明治型,最上面是阴极,氯化锌电解溶液在中间,下面是奈米草,阳极在最底下。位于马里兰州的艾德菲美国陆军研究实验室人员提出疑虑,认为电解质与电极持续接触,可能造成不必要的化学反应。经过重新设计后,电解质改在最上层,阳极和阴极化合物分开放在底部,中间悬挂奈米硅隔片。开始使用电池时,电解质可穿透隔片然后浸泡电极(见左页〈奈米电池的设计〉)。
  这个团队原本以奈米柱将电解质与阳极分开,因为奈米柱最不佔空间,可保留较多表面积让电极进行化学反应。但由于製造奈米柱电池有困难,因此研发人员转而开发奈米蜂巢型薄膜,用来隔离电极与电解质。但要在厚度仅600奈米,又薄又脆弱的电湿润薄膜上打出直径20微米的小孔,也是很大的挑战。科学家先用电浆在涂上一层二氧化硅的晶圆上蚀刻出蜂巢形结构,接着将裸硅放入温度高达1000℃、充满氧气的熔炉中,让裸硅表面形成二氧化硅。最后在整个蜂巢片表面涂上氟碳化合物。
  研究人员于2005年10月开发出第一款重新设计后的样本。这种系统的优点之一,是该团队每次试用新的阳极或阴极组合时,可以不用辛苦寻找最适合的条件,以便在奈米柱中均匀地镀上阳极层。科学家只要将电极块放在不具任何特性的表面上即可。西蒙还指出,在此同时,他们在电镀方面得到的经验也让製作电极块更为容易。贝尔实验室和mPhase目前正与路特格大学合作,希望将数位相机和行动电话用的锂电池化学反应与奈米电池结合。
  由于含有能中和电解质的化合物,奈米电池或许还能成为较环保的能源。克鲁本金表示:「这方法可防止电解质溶入地下,如果士兵中枪了,也能防止电池外洩。」西蒙补充表示,日后或许可用塑胶奈米结构取代硅,进一步做出可挠曲的奈米电池。
  科学家并没有取代抛弃式电池的意思,克鲁本金也提到,大量製造的抛弃式AA电池「每个只要几块钱」。科学家真正的目标是特殊应用,例如由军用机上抛下的感测器,其内建的无线电发射器只准备使用1~2次,可用于警告有人入侵,或是侦测毒物或放射线。克鲁本金还说明:「如果感测器没有发现什麽,就不需要发射信号,但需要发射讯号时,就需要很大的电力。」此外,用来监控环境变化的装置也可运用强大的电力,将资料发送得更远,进而减少需要安装的感测器数目。另外,医疗植入物、行动电话或无线电宠物项圈等也可安装这类紧急储备电池。
  研发团队还计画让这种电池具有重複充电的能力。让电流流过耗尽的奈米电池,使放置电解质的表面发热。如此可蒸发薄薄一层液体,迫使小水滴跳回奈米结构顶端。克鲁本金表示:「原则上这是可能的,但距离实际做到还远得很。」举例来说,mPhase预计在两、三年内才会将产品样本提供给可能的第一个客户。奈米电池将告诉我们,数十年来电子产业致力进行着微型化革命,而电力来源总算也开始迎头赶上了。 (本文出自SA 200602) End

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