新研發「病毒電池」商業化有望

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員發明了一種新技術,可利用病毒來組裝尺寸微小的、並可印刷在塑膠薄膜上的電池

該病毒是一種基因工程病毒,專門用來做為自組裝(self-assemble)奈米級鋰離子電池的材料;所產出的電池則是利用環保製程印刷在塑膠薄膜上。MIT的研究人員表示,該種軟性電池薄膜的主要零件已經完成;他們並展示了該種電池媲美現有筆記型電腦、混合動力車輛鋰離子電池的性能。

MIT的研究團隊目前正在對該材料進行最佳化,期望讓其性能超越現有的鋰離子電池;而他們的最終目標是將這種可印刷電池薄膜商業化。

「病毒為電池佈線提供了新途徑;」率領該研究團隊的MIT材料科學家Angela Belcher表示:「現在我們已經開發出正極、負極材料,以及微接觸(micro-contact)印刷方法。」接下來該團隊將最佳化電池的性能,並為了商業化升級技術。

率領MIT印刷電池研究團隊的Angela Belcher
率領MIT印刷電池研究團隊的Angela Belcher

除了提升電池性能,MIT的科學家表示他們將透過使用低價、可印刷組裝技術,創造出現有製程不可能呈現的電池形狀。不過在現場展示中,MIT的研究人員是將該種電池做成傳統的鈕扣形狀來做示範。

不久前,MIT校長Susan Hockfield還在美國白宮一場討論綠色能源科技的會議上,向美國總統歐巴馬展示了該病毒電池的原型;Hockfield表示,這種軟性電池薄膜能使用環保製程技術,在接近室溫下進行製造。

典型的鋰離子電池是使用帶負電的、石墨製成的正極,來調節流向帶正電、用鈷製程的負極;而MIT所研發的電池,正極與負極材料都是自組裝架形成架構,且由於是活病毒組成的奈米級圖案,因此能提供更大的表面積。

這 些病毒是從普通的噬菌體(bacteriophages)族群中所選出來的,會吞噬細菌,但是對人體無害。研究人員以基因工程方式,透過創造出數十億的隨 機變種,讓病毒自組裝成奈米級電池薄膜;接下來他們將利用「適者生存(survival-of-the-fittest)」法則,選擇出那些能發揮最佳所 需性能的病毒。

去年該研究團隊展示了使用病毒自組裝所形成的正極材料,以微接觸印刷技術所製造出的軟性電池薄膜;該次示範是使用傳統的陰極材料。現在基因工程病毒已經可以自組裝成陰極材料,也完成了該種電池商業化所需的最後一種關鍵零件。

「我們已經利用基因工程培育出陰極材料──是由鋰離子磷酸鹽與銀所組成的奈米線;這種材料會拾取(pick up)其頂部的單一碳奈米管,以增加其導電性。」Belcher表示。

在 上一次的展示中,MIT所使用的自組裝正極材料是使用不同的病毒;在該種病毒外部覆蓋了氧化鈷與金,以形成奈米線。而新病毒則是使用了類似的方法,在外部 覆蓋磷酸鹽鐵與銀,然後使用分子辨識(molecular recognition)在其末端拾取奈米管,以達到更有效率的電子傳輸。

「我 們一開始在沒有奈米管的情況下設計該種材料,但其導電性卻不夠好;然後我們發現病毒會藉著分子辨識與奈米管接觸。」Belcher表示:「這也是最困難的 部份,因為在數十億病毒會選擇中只有兩個會拾取頂端的奈米管;這兩個病毒有不同的基因碼,而且是透過適者生存法則所選出的。」

所 產生出的材料(能以液狀大量生產,然後乾燥成粉末狀)是由5%的碳奈米管所組成;在展示中,該種使用微接觸印刷技術所製成的電池,能重複充電數百次且在性 能上幾乎沒有下降。接下來MIT的研究人員希望能進一步提升其以鋰為基礎的材料配方,透過添加金屬到該種磷酸鹽鋰混合物中,提供更佳的性能;例如氧化鎂磷 酸鹽鋰,或是鎳磷酸鹽鋰

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