波新聞─李雲／台北
電動車鋰電池起火新聞頻傳，更安全的「固態電池」研究受到極大矚目，但固態電池的充放電速度慢、循環壽命低等問題，一直是阻礙。臺科大機械工程系助理教授蔡秉均，與MIT麻省理工美國工程院士Yet-Ming Chiang為首的團隊，以及密西根大學、柏克萊大學、阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室等全球頂尖學術單位跨國合作，首次發現利用「雙槳輪」機制（Double Paddle-wheel Mechanism），可加速固態電池充放電速度。此研究合作成員皆是當今頂尖的科學家，在多項實驗技術與理論計算都位於領導地位，蔡秉均不但以第一作者的身份，發表此研究發現在國際能源權威期刊《先進能源材料（Advanced Energy Materials）》，還被選為當期封面報導，受到學術圈極高肯定。
電池的主要組成為正極、負極和電解質，充電時，離子會從正極脫離，經由電解質傳遞至負極，放電時則是相反。因此，電解質是固態還是液態，會影響離子傳送的速度，進而決定電池充放電的效率。目前電動車、手機等大量電子產品，都是使用屬於「液態電池」的鋰電池，使用的電解質為液態有機物，傳導離子的速度快，但卻屬於易燃物質，安全性不斷受到質疑。相反地，固態電池使用的電解質是無機材料或聚合物，例如陶瓷，較不易燃燒，安全性高，但傳導離子的能力卻比較差。
蔡秉均與Yet-Ming Chiang為首的團隊這次的突破，正是發現透過「雙槳輪」機制，可以有效強化固態電解質的離子傳導速度，開啟了電池材料設計的更多想像。所謂的「雙槳輪」現象，是源於「槳輪」概念（Paddle-wheel Mechanism），這個概念最早於1980年代由一位瑞典物理學家提出，但當時一直無法驗證；時空一轉，現在這個「槳輪」概念卻由臺科大與麻省理工等單位共同合作實現了，並且發現更具有效果的「雙槳輪」機制。
蔡秉均說明，比起槳輪（水車的葉扇、Paddle wheel），「旋轉門」更容易解釋這個機制如何運作。傳統固態電池的離子傳輸法是「空位傳導機制」，可想像成離子在固體中傳輸時，原需要推開旁邊不易移動的堅固通道，因此受到極大阻力。不過，透過「雙槳輪」機制，能製造出類似旋轉門的活動性通道，讓離子快速通過，將開啟新一代高導離子材料設計。
而能讓「雙槳輪」機制發揮效果的核心，就是找到適合的材料。蔡秉均提到，過去在設計「高導離子固態電解質」的材料時，都是從週期表進行單種元素的設計。不過，團隊鎖定探究多種原子結合成的「團簇（Cluster-ion）」，過程中，團隊嘗試了40幾種化合物，因為所要合成的化合物不存在於自然界，相當不容易。蔡秉均在鍥而不捨的努力下，終於找到透過「雙槳輪機制」快速傳導離子的「反鈣鈦礦結構」材料。團隊成員們合作彼此在具領導地位的各項實驗技術與計算理論專長，共同發現鈉離子遷移率受到兩團簇陰離子(NH2-)和(BH4-)旋轉的影響，可以讓鈉離子導電率比傳統傳導機制高出百倍之多。
「雙槳輪」機制打破固態電池傳導離子的既有方法，未來可應用在新材料的設計，有助固態離子導體的探索。雖然距離真的應用到市場的產品，還有很長的一段路要走，但可以期待有一天，更安全的固態電池會被應用在手機、筆電、電動車中。
值得一提的是，蔡秉均長年致力於先進電池材料開發，專注研究高電容量、高倍率、高安全性、長壽命、及低成本的電池材料，他的儲能電池技術開發，長期受到國科會計畫支持，過去研究成果也曾陸續登上《Nature Energy》、《Energy & Environmental Science》、《Joule》等國際權威期刊。
2020年蔡秉均從美國MIT歸國，加入臺科大後，持續與跨國單位合作，每週定期視訊討論，橫跨多時區，常在半夜開會。蔡秉均表示，因為有進展，並不會累，還很有動力。他會繼續探索陶瓷材料與電池領域的應用，另一方面培育學生，傳承能力與經驗，今年度蔡秉均也由臺科大學生票選為教學績優教師。
