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開發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代感的手機。而和一般消費者不同，這位現年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，相關研究結果已經發表在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，三星公司就已經展示了一款擁有14寸有機發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。 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，電解質則是含有鋰鹽的凝膠聚合物，鋰離子的流動會產生電流，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。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，而在液態的時候往往被叫做“硅油”。固態的PDMS是廣泛使用在集成電路設計領域和生物微機電系統中的材料，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格狀的突起，每根線條都只有35微米寬。把液態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從疏水變為親水。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”。 研究者發現，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—這種電解質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。現在，一塊透明電池就已經做好了。 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，而在經過40個充放電循環之后，還能依然分別保留87%和93%的儲能效率。 不過，和傳統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，這大概是傳統鋰離子電池的1/10。但是，這種新型電池理論容量和傳統電池一樣。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。“現在這種電池的成本和傳統電池差不多，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。 《第一財經周刊》 |
