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研發焦點

半導體奈米材料實驗室SiLican 劉全璞教授「矽」心延長手持裝置續航力
NO 20(2016-3) 作者:賴岱瑋  

 

「矽」取代傳統石墨

 

「我手機快沒電了,可以借一下你的行動電源嗎?」

「小明!等一下先別過去玩!爸爸先幫相機換個電池,等等才好幫你拍照。」

 

這些對話,是否非常耳熟能詳呢?曾幾何時,「到圖書館充電」這句話已經變成了字面上的意思,不是去讀書,而是真的去充電。隨著技術的進步,科技產品在我們的社會之中也漸漸普及。這幾年來,無論是輕巧容易上手的智慧型手機、平板電腦等3C產品,還是如檢測儀、電動車等專業器材,都漸漸從原本高不可攀的昂貴儀器普及於一般百姓的生活中。

 

然而,幾乎所有的攜帶式科技產品,都必須仰賴「電池」來供應電力,一般產品最常使用的是鋰電池(Lithium Battery),是一種以鋰金屬或鋰合金為負極材料的電池,起初鋰電池的出現沒有立即得到應用,但是隨著二十世紀末小型化設備日益增多,對電源提出了很高的要求,鋰電池也隨之進入了大規模的實用階段。

 

隨著科技不斷創新、發展,人們對於電容量的需求也日益增多,而在鋰電池中儲存電量的負極材料幾乎都是石墨,電容量卻相當有限;受制於電池的電容量,現代人常常不能隨心所欲的使用這些科技產品,也因此我們常常會看到隨時需更換電池、注意殘餘電量的狀況發生。

 

為了解決這樣的問題,全世界的材料工程學者都在尋找更理想的電池材料,國立成功大學材料系的劉全璞教授也指導了「SiLican」(矽的英文諧音) 團隊投入這項研究當中,他們認為由電容值較高的「矽」來取代傳統的石墨是最佳的選擇。

 

劉全璞教授表示,現在常使用的鋰電池的最大缺點便是電容量有限,理論電容量僅約360mAh/g,電池續航力嚴重不足,無法追隨新科技的腳步,滿足高電容量需求的攜帶式電子產品。例如以新推出的Apple Watch來說,每次充電僅能使用八到十個小時,續航力明顯不足,如此一來這些新型科技產品便很難走入每個人的生活中,商機也為此限縮,因此劉教授也看好新型電池市場在未來勢必會呈現爆炸性的成長,是十分有前景的研究領域。

 

 

「SiLican」團隊前往矽谷受訓

 

在短短三年內,劉教授和他的團隊便有了跳躍性的發展,「SiLican」團隊在2014年7月時參加科技部的「創新創業激勵計畫」獲得創業潛力獎,並在同年12月參加成大首屆美國矽谷人才培訓計畫NCKU-SVAA(Silicon Valley Alumni Angels) Incubation Program,表現優異成為唯一獲選團隊,獲得成大北美校友會2萬美元的受訓經費補助,並指派團隊中的兩位博士生鄭尹瑋、李奕錩兩人前往美國高科技創新和發展的開創地-矽谷受訓,該地區的創業投資也占全美創業投資總額的三分之一。

 

為了訓練創業人才、推動創業風潮,台灣行政院科技部五月在矽谷設立「台灣創新創業中心」,主要負責橋接台灣與美國的鏈結。成功大學更早於今年初發動美國矽谷培訓計畫,將有潛力的優秀新創團隊送往美國矽谷受訓,訓練為期三個月,並透過成大北美校友會及矽谷當地的台灣天使投資團隊協助,與矽谷創投公司銜接,甚至提供一系列的新創公司養成課程,體驗矽谷的新創精神。

 

成大與科技部作法稍微不同之處在於,成大將人才送往矽谷的培訓時間較長,甚至能透過當地校友會尋找輔助資源,擁有廣大的人脈管道,創新團隊得以利用這項優勢募集資金、建立往後創業人脈。另外,成大研究總中心也表示,未來若推展順利,也希望能持續選出優秀創業團隊送往矽谷培訓,讓有早期創業規模的團隊經過矽谷洗禮後能成功創業。

 

 

矽基負極材料應用層面廣泛

 

成大「SiLican」團隊主要研發應用於鋰電池的矽基負極材料,致力於材料的創新研發,從中發現材料的可用性與商業性,提升產品的應用層面,未來產品將應用於穿戴式電子裝置、智慧型手機、可繞式電池、無人機電池至大型動力電池及大型儲能電池。

 

團隊成員中,成大材料系博班生鄭尹瑋曾參與過成大電資學院院長曾永華教授所率領的跨國龍門計畫,進入過全世界電池研究先驅的美國阿岡國家實驗室做跨領域研究,見識到全世界最新的電池發展趨勢,看見了矽材料電池的可用性,也成為現今「SiLican」團隊的發起者。 

  

劉全璞教授說明,與傳統石墨材料相比,矽電池的電容值是其11倍之多,儘管傳統矽材料電池第一次充放電後,電池容量便會損失7成,且在多次充放電循環後便無法使用;但成大「SiLican」團隊所研發出的創新技術能大幅改善此項缺點,讓矽電池在第一次充放電後,電容量僅損失3成,且在後續的充放電過程中幾乎不再損失,搭配電流設計可以做到150次的充放電,電容值持續維持在1200mAh/g,約為石墨的4倍。

 

除此之外,劉全璞教授提到,現今「太陽能發電」正是最火熱的議題,然而太陽能電池在廢棄後大多僅回收其貴金屬電極,佔電池材料比重最多的矽基板卻因價值不高,而絕少再度被重複利用;若矽電池能取代傳統鋰電池進入商業化,則能大量回收矽基板並加以純化,如此便解決了太陽能電池回收的困境,也無須擔心矽電池缺乏製作原料而導致短缺的問題。

 

 

成功克服矽電池膨脹率

 

儘管矽電池擁有如此多項優點,卻也面臨了一個致命問題,就是電池的膨脹率過高。工程師使用現階段技術研發出的矽材料電池在充電時體積會膨脹到比原本體積的三倍之大,在放電時卻又會縮回,如此一來固體很容易會受損、崩解,因此難以被實際運用至產品之中。不過,劉全璞教授和他的團隊已能成功的克服這項限制,研究出減少膨脹率的方法,即便無法完全避免膨脹縮小的循環,卻能控制在可接受範圍內,增添了矽電池的可用性、耐用性。

 

劉全璞教授表示,全球對於電池的需求量極高,現階段廠商所需要的原料一個月至少需要1公噸(1000公斤)以上,市場需求龐大,利潤與未來發展性夠高,因此,擁有此項關鍵技術投入生產不是問題,然而若要壓低矽電池的價格,以期更具市場競爭力甚至進而促進產業升級,則需資金擴建、改良廠房以利大量生產,倘若產學官研願意通力合作、全力發展,對於台灣產業前景勢必裨益良多。

 

最後劉全璞教授勉勵大家,希望成大的學子們在學時能勇於創業,不要等到就業後才想重拾夢想,屆時已不像求學時能有資源和時間反覆實驗,以達到完美的理想狀態。他表示,社會常認為博士畢業後僅能從事教職,就業無門,但讀博士的價值是為求得更高的學問,並將學理實踐於新創事業中;而創業並非為了一己榮耀,而是為社會帶來更大的福祉。因此劉教授希望台灣的社會能更鼓勵學子們投入於創業、發揮夢想,不是只有考第一名、讀碩士、進台積電才是人生勝利組;而人們能多投注資金鼓勵新創事業,如此台灣的未來才會有新的展望。

 


  • 圖說
  1. 「SiLican」團隊成員鄭尹瑋(左三)與李奕錩(右),前往美國矽谷吸取新創精神。

  2. 「SiLican」團隊2014年獲得科技部「創新創業激勵計畫」頒發「創業潛力獎」。

  3. 「SiLican」團隊成員:成大材料系劉全璞教授(右起)與兩位得意門生鄭尹瑋及李奕錩。

  4. 圖為導入「矽」之鋰電池,外觀與一般鈕扣型電池幾乎毫無差異。

  5. 圖為取代傳統石墨製成之含「矽」鋰電池。

 

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