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用活性病毒建構可撓性電池薄膜

上網時間: 2006年05月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電池薄膜  病毒  基因工程  MIT  生物工程學 

從歷史角度來看,電池技術一直遠遠落後於半導體技術。當晶片每18個月就增加一倍容量時,電池卻是每10年才增加一倍。但現在,麻省理工學院(MIT)的材料科學家表示,生物工程學已突破此一瓶頸。今天,幾乎有一半的電池材料對儲存電能來說是沒有貢獻的,但MIT透過生物工程製造所開發的電池卻致力於使其超過90%的材料都可用來儲存能量。為實現此一目標,科學家與教授Angela Belcher、Paula Hammond與Yet-Ming Chiang使用了基因改造的活性病毒聚合成薄膜奈米線,以做為彈性化「電池包膜(battery wrap)」的正極與負極。在100奈米厚度中,新一代電池包膜能符合所有外形尺寸。

「我們運用生物學來塑造電極材料並讓它們自行聚合到電池結構中,」Belcher說。這些電池就像Saran wrap(一種食品塑膠袋)──它們非常薄、可彎曲,而且能被放到任何形狀中,這使它們相當適合於輕巧型產品應用。

遺傳工程

MIT發明的電池包膜是以由基因改造的M13噬菌體衍生物為基礎,M13是一種病毒寄生物,會感染細菌並在細菌內部繁殖。透過改變這種實驗室病毒的基因排列,它將無法感染人類,而材料科學家則能讓病毒自溶液中萃取氧化鈷與金離子,並將之聚合到單層奈米線中,以實現聚電解質基底之電池陽極的功能。

「M13是一種具有非常特殊宿主細菌的病毒,」Belcher說。「但我們的實驗室在修改有機體基因以生成多種不同材料方面擁有多年經驗。這一次,我們透過三種工程步驟,來利用M13噬菌體這種更強大的外殼結構優勢;首先是生成氧化鈷奈米線;第二是建構一種在單線中混合了氧化鈷與金的混合電極,使其成為良好的離子導體與電子導體;最後,我們讓它在單層結構電池的聚電解質中自行聚合。」

MIT的研究人員展示了具備聚合病毒陽極的電池原型。傳統的鋰陰極則提供了其他電極。該研究小組修改了病毒基因,讓它們的蛋白質覆膜能收集氧化鈷與金的分子。這些病毒會在預製性支架(prepatterned scaffold)上自行排列,形成長寬與病毒相等的平行線:6 x 880奈米。

研究人員正計劃重新製作新版的M13,以便在聚電解質基底的另一端生成鋰陰極。之後,他們也許會花幾年時間使技術更臻完善,科學家們希望能使其電池包膜商用化。Belcher已成立了一家自MIT獨立出來的公司──Cambrios Technologies,主要從事生物奈米結構的開發,並贏得了EETimes 2006年度創新獎的「最具前途新技術」獎項。

採用基因工程的電池包膜是透過將支架放到三個燒杯中浸泡後製成的,第一個燒杯內含聚電解質,第二個內含基因改造病毒,而第三個則內含鈷離子溶液。

第一次的浸泡會在支架上沈澱一層聚電解質薄膜,其厚度範圍為幾微米到100奈米。第二次的病毒浸泡會沈澱出6 x 880nm的單層M13噬菌體(這些病毒為負電荷,可自行在支架上沿著正電荷排列)。

第三次的浸泡能讓基因改造病毒將氧化鈷與金離子自溶液中分離出來,並被周圍的物質包覆起來。經過三次浸泡後,支架會逐漸乾燥,而電池包膜也因而剝離脫落。所有步驟都在常溫與正常壓力下進行。

「我們先製造氧化鈷陽極,並發現它具有良好特性,」Belcher說。「然後,我們藉由對病毒進行基因改造增強了其電流密度,使其能同時生成氧化鈷和金兩種不同材料,而且發現能組合成更好的電極。這種病毒能透過將氧化鈷和金離子自溶液中分離到浸泡的聚電解質外來完成它們的工作。」

這種病毒的基因改造工作是透過手動來改變其個別的基因,然後再複製幾百萬個最初由手動修改過的原型版本,使得不同的M13版本可專門用來收集不同的分子──此處則特定用在氧化鈷和金離子。

Belcher表示,僅需約30分鐘,該病毒就能在一個單層的上方與下方聚合無機分子,並自行調節。之後,聚電解質會變乾,而直徑6奈米的病毒則會脫水,此時的病毒已經無害,而且會被內嵌在無機鈷與金內部的密封區域中。

目前,材料科學家均透過在傳統鋰陰極包裹它來展示其電池包膜,但該小組則將以基因改造的M13新變種來生長薄膜另一側單層上的陰極。

「當我們在聚電解質的另一側上生長鋰陰極以作為電池陰極時,我們可以用這種材料來開發約僅100nm厚薄的電池,」Belcher表示。

下一步?

截至目前為止,科學家們已經顯示出其足以使電池薄膜以梳狀結構相互堆疊的能力,並使此平行線狀的結構增加電流運載性能。此外,這些平行線系列組成也提升了電壓輸出與充電性能。目前,最高的電壓電池版本約可達3V。

「我們下一步所要進行實驗將會是採用生長不同的電極材料,加上可自行聚合成一顆包括陽極和鋰陰極的完整電池。」Belcher表示。

Belcher預測,相較於今日所使用的同尺寸同重量的傳統電池,這種經最後封裝過的電池覆膜將可蓄存多約二至三倍的能量。此外,它的貼合性也使其適於應用在更為輕薄、且以電池驅動的可攜式設備上。

該研究經費主要來自於Army Research Office Institute of Collaborative Biotechnologies、麻州工業大學軍用奈米科技研究所(Institute of Soldier Nanotechnologies)與David and Lucille Packard基金會。

(R. Colin Johnson)




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