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防水、空氣穩定度高,新型技術有望將鋰陽極推向市場嗎?
2019-07-24   |  作者:daisychuang  |  124瀏覽人次

電池容量跟陽極材料息息相關,目前市面上則大多採用石墨陽極,不過科學家們也知曉,陽極材料若是改成鋰金屬,將能大幅提高能量密度跟比能量,但換成鋰金屬並不容易,鋰金屬活性較高,容易跟空氣、水起反應,需要幫鋰陽極打造一層「防護背心」才能突破難關。

鋰離子電池陽極多由石墨等碳材料組成,這是因為金屬化合物存有不穩定與電導性差等缺點,其中鋰金屬活性強,活性甚至比鈉、鎂等金屬都還要高,在充放電過程中會容易沉積鋰離子,最終電極表面會因為沉積不均勻形成樹枝狀鋰晶枝,這些晶枝容易刺穿絕緣層,最終導致故障電池起火。

除此之外,鋰金屬容易跟空氣中的水分與氧化物起反應,表面易形成氫氣或是氫氧化鋰等絕緣體,進一步降低電池的電化學性能,而氫氣也會有燃燒與爆炸的危險。科學家使用時也為了降低風險,通常會透過封裝技術,利用塗層避免電子元件接觸到水、空氣,盡量降低損壞的機率。

而最近中國天津大學與清華大學科學家目標研發出穩定度更高的鋰金屬陽極,透過全新的浸塗(dip coating)法研製全新塗層 wax-PEO,打造出具空氣穩定性跟防水的鋰陽極,研究也指出,這種 wax-PEO 層能在維持鋰離子傳導下,抑制鋰晶枝生長。

實驗也指出,將塗有 wax-PEO 的鋰陽極放置在相對溼度高達 70% 的環境時,24 小時後表面不會損壞也不會腐蝕,容量也能維持在 85%,接觸水後,更不會燃燒或是容量下降。

鋰陽極放入電池後,500 小時後仍維持穩定,在 300 次充放電循環中,每循環的容量衰減率更只有 0.075%,研究人員指出,該技術不僅能造福鋰金屬,也可以應用在其他穩定性較低的電極材料上。

目前為了提高電池的性能,不少電池科學團隊也瞄準陽極,像是美國 Sila Nanotechnologies 就看好矽陽極,矽與鋰離子結合後可話化身成「Li15Si4」、一個矽原子約可以附著 4 個鋰離子,電池能以少量陽極材料儲存更多的鋰離子,認為新型矽電極可望提升 20% 電池容量,對該技術予以眾望。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Paralog via Flickr CC BY-ND 2.0)

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