新型有機陰極材料登場,有助提升固態鈉電池穩定性與能量密度

發佈日期: 2019 年 04 月 25 日 12:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

全固態鈉離子電池安全性高,運作方式也跟常見的鋰離子電池差不多,且鈉的地殼含量比鋰還要多,為受看好的新生代電池,而現在美國科學家再幫全固態鈉離子電池提高裝備性能,運用新型有機陰極讓電池穩定性跟能量密度更上一層樓。

固態鈉離子電池除了具有不易起火燃燒優點,也有成本低、原材料豐富優勢,但在發展成熟的鋰離子電池面前,鈉電池還是個蹣跚學步的幼童,要商業化還有許多挑戰待跨越,像是在電池充放電途中鈉離子容易迷路、固態電解質與電極之間接觸不良跟固態電解質介面(material-solid electrolyte interfaces)降低儲電性能等。

通常鋰離子電池在電池首次充放電時,電極與電解質之間會形成固態電解質特性的鈍化層,其便是固態電解質介面,厚度約為千分之公釐,在鋰電池中可保護碳粒與酸性電解質發生有害反應,同時讓離子在電極跟電解質之間穿梭。

然而在鈉離子電池中,固態電解質介面就是個大難題,當充電電壓高於硫化物電解質,電解質跟電極之間就會出現電阻層(resistive layer)。

對此,美國休士頓大學帶來新型的電極設計,希望可運用有機聚合物芘四酮(pyrene-4,5,9,10-tetraone,PTO)來解決這些問題。休士頓大學電機與電腦工程副教授 Yan Yao 表示,與過去的無機材料相比,PTO 更具優勢,且透過全新的陰極,研究也首次發現,陰極和電解質之間的電阻介面可逆轉(reverse),進而延長電池的壽命跟提高穩定性。

休士頓大學電機與電腦工程助理教授 Leonard Liang 則表示,在電池運作中,界面可逆性是一大重點,這讓固態電池可在不減少壽命的情況下,提高能量密度。通常一旦形成電阻層,固態電池的儲電性能就會歸零,扭轉這狀況將有助於研發壽命與能量密度兼具的固態鈉電池。

除此之外,由於新型電極是由有機聚合物組成,柔韌性較高,可解決過去剛性陰極跟固態電解質接觸不良的問題。其中陰極材料在電池充放電時,會不斷膨脹與收縮,進而產生壓力,假如材料無法迅速排解壓力,材料可能就會出現裂縫。

目前團隊也已打造出 PTO 電池原型,其表現也相當良好,其能量比(specific energy)約為每公斤 587 Wh,循環穩定性則達 500 次,初步顯示休士頓大學的有機陰極材料具成效,未來有機會研發性能更強的固態鈉離子電池。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:pixabay

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