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開發(fā)透明的電子設備將會被提上日程，因為科學家解決了最主要的問題：電池。和許多手機用戶一樣，崔屹也想要一部更有現(xiàn)代感的手機。而和一般消費者不同，這位現(xiàn)年35歲的斯坦福大學的材料科學與工程系副教授、納米技術專家并不打算把希望完全寄托在手機生產(chǎn)商身上。在他的實驗室里，和他的幾位博士生一起，崔屹解決了阻礙手持設備變得透明的最大難題，讓柔軟、透明的手機成為可能： 他的團隊制造出了透明的鋰離子電池，相關研究結果已經(jīng)發(fā)表在7月末的《美國科學院院刊》上。 手持設備離通體透明只有一步之遙。透明的顯示屏目前看起來已經(jīng)比較成熟—早在去年1月份的國際消費電子展上，三星公司就已經(jīng)展示了一款擁有14寸有機發(fā)光二極管透明屏幕的筆記本，透明度達到40%；而透明的導電材料早已問世，并且已經(jīng)應用在每一款觸屏手機上。雖然芯片和其他電子器件還不透明，但是它們在手持設備里所占的體積并不算大。當透明電池投入商用后，造型科幻的透明設備必然會出現(xiàn)。 今天在手持設備上廣泛使用的聚合物鋰離子電池，是目前商用電池中能量密度最高的品種。它的正極一般是鈷鋰、錳鋰或者鎳鋰的氧化物，負極是鋰碳層間化合物，電解質(zhì)則是含有鋰鹽的凝膠聚合物，鋰離子的流動會產(chǎn)生電流，而從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是比較理想的。但是，在這三種材料中，只有電解質(zhì)是可以透明的。 目前人們還沒有找到透明的電極材料。崔屹和他的團隊繞過了材料，從光學角度來考慮這一問題。幸好人的視覺能力有極限。“小于50微米的東西，我們的眼睛就會把它當做透明的。”論文的第一作者、崔屹的博士生楊遠說，“因為人眼的最大分辨能力在50微米到100微米之間。” 說起來很容易，但是如何做到這樣細的電極也是挑戰(zhàn)。崔屹的團隊開始嘗試制造更細的電極材料，細到只有35微米寬。把這樣細的電極材料做成網(wǎng)格狀，眼睛就會對它視而不見—就像是我們站在離紗窗比較遠的地方，就似乎看不到紗窗一樣。 這些研究者開發(fā)出一種特別的方法來低成本地制造這種微型紗窗結構，首先從聚二甲基硅氧烷(PDMS)開始。PDMS是一種高分子有機硅化合物，通常被叫做有機硅，而在液態(tài)的時候往往被叫做“硅油”。固態(tài)的PDMS是廣泛使用在集成電路設計領域和生物微機電系統(tǒng)中的材料，它透明、無毒、柔軟而有彈性，還具有疏水性—就像荷葉那樣不會被水浸濕。 首先，研究者們在硅片上雕出網(wǎng)格狀的突起，每根線條都只有35微米寬。把液態(tài)PDMS澆在硅片上，放在80℃烤箱中加熱3小時，PDMS就變成了固體。把PDMS從硅片上剝下來，就是現(xiàn)成的模版。 接下來，崔屹等人在PDMS模板上鍍上一層100納米厚的黃金薄膜，并用空氣等離子處理90秒，讓PDMS從疏水變?yōu)橛H水。接著，把電極材料的懸浮液倒在上面，在毛細管的作用下，電極材料會填滿黃金層和PDMS之間的空隙，填充的速度能夠達到每秒鐘1厘米。等電極材料凝固后，只需要解掉黃金層，就可以獲得一片凝結在透明PDMS上的“小紗窗”。 研究者發(fā)現(xiàn)，使用納米尺寸的電極材料比微米尺寸的填充效果要好一些。他們使用鋰錳氧化物的這種小網(wǎng)格做為電池的正極，使用尖晶石結構的鋰鈦氧化物納米粉末做陰極，在其間灌入凝膠狀的電解質(zhì)—這種電解質(zhì)同時兼具電解液和隔膜的作用，能夠傳輸鋰離子，同時又防止正負兩極直接短接。現(xiàn)在，一塊透明電池就已經(jīng)做好了。 新做好的透明電池擁有不錯的儲電能力。鋰錳氧化物的儲電密度能夠達到每克97毫安時，鋰鈦氧化物的容量可以達到每克142毫安時，而在經(jīng)過40個充放電循環(huán)之后，還能依然分別保留87%和93%的儲能效率。 不過，和傳統(tǒng)不透明的鋰離子電池相比，透明電池的容量還是不足—它只能達到可憐的每升10瓦時的容量，這大概是傳統(tǒng)鋰離子電池的1/10。但是，這種新型電池理論容量和傳統(tǒng)電池一樣。研究者們認為，可以把PDMS基板和電極都做得更薄，以提升儲能密度，或者也可以使用侏儒鋰鈷氧化物這樣的電極材料，來讓電池的容量上升到每升50瓦時。 如果能夠達到每升50瓦時的容量的話，那么就會擁有足夠的競爭力了—手持設備中最耗電的器件是液晶顯示屏，它幾乎占了整個手持設備耗電量的70%；而透明手機所需要的OLED顯示屏，耗能比液晶屏要低40%以上。 而且，和OLED顯示屏一樣，這種電池也是柔性的。也許我們將來可以把手機像手鐲一樣繞在手腕上，以免起床時找不到它。“現(xiàn)在這種電池的成本和傳統(tǒng)電池差不多，而且還可以更低一些。”崔屹在接受采訪的時候說，“我想和斯蒂夫·喬布斯談談這個。我真的很想要透明的iPhone！” 誰不想要呢？希望我們都不用等太久。 《第一財經(jīng)周刊》 |
