提升高容量鋰離子電池穩定性,有望將手機續航提升 2 倍

發佈日期: 2018 年 05 月 30 日 15:31 | 作者: | 分類: 產業資訊

3C 產品與電動車需求與日俱增,因此開發高容量電池需求刻不容緩,而美國西北大學(NU)近日發現可以提升高容量鋰離子電池穩定性的材料,這一突破可望將手機與電動車續行電力提升到兩倍以上。

西北大學工程與應用科學學院材料工程教授 Christopher Wolverton 表示,鋰錳氧化物電極容量是所有過渡金屬氧化物電極最高的一種,其容量是當今手機與筆記型電腦電池的兩倍,穩定這類高容量特性可讓未來車用鋰離子電池性能突飛猛進。

在鋰離子電池中,鋰離子會在陰極與陽極之間不斷往返,其中陰極由鋰離子、過渡金屬和氧化物製成,當鋰離子抵達陰極並要返回陽極時,鈷等過渡金屬就會進行儲存與釋放電能,而陰極容量則會受到過渡金屬中的電子數限制。

氧氣為電池高容量關鍵

法國研究團隊在 2016 年首次提出高容量鋰 - 二氧化錳電池,利用較便宜的錳金屬取代傳統又昂貴的鈷,研發出成本更低、容量更高的電極。然而該電池雖然擁有高容量電極,但是並不持久,電池性能在前兩次充放電循環就顯著下降,因此研究人員認為該電池尚不能商業化,而他們也無法確切得知為何電極容量比較高與快速退化因素。

而 Wolverton 團隊詳細研究陰極原子圖(atom picture)後,發現陰極高容量之謎──材料強制讓氧氣參與反應,因此電極除了過渡金屬之外,還利用氧氣來儲存電能和放電,如此一來電池便具有更高容量和可利用更多鋰離子。

得出電極高容量背後原因之後,團隊開始研究如何穩定電池,團隊成員兼論文第一作者 Zhenpeng Yao 指出,研究憑藉各種充電知識與高通量(high-throughput)運算來分析掃描元素週期表,用新方法來合成化合物與潛力元素,並找出提升電池性能關鍵。

陰極結構示意圖,其中鋰為紅色、氧與錳是綠色跟紫色,鉻與釩則分別是深藍色與淺藍色。來源:西北大學

研究運算結果直指鉻和釩金屬,團隊則認為把該元素與鋰錳氧化物混合後,就能產生穩定化合物,進而維持電極高容量。未來 Wolverton 團隊將會進一步測試這些理論化合物。目前該研究已發表在《Science Advances》。(文/DaisyChuang)

(首圖來源:Pixabay

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