鋰也可以當負極材料,防護技術做得好就能提高電池安全性與效能

發佈日期: 2019 年 09 月 02 日 13:28 | 作者: | 分類: 產業資訊

目前智慧型手機、筆記型電腦大多配備鋰離子電池,未來隨著電動車愈加普及,使用量也會愈來愈高,不過鋰電池還是有一些缺點,儲電容量已經快到極限,不耐撞、易起火爆炸也會對安全構成威脅,對此美國科學家挑戰全新的負極(陽極)材料,並開發全新的防護技術,或許將不再有上述缺陷。

鋰離子電池的正極(陰極)主要以鋰為主,負極材料則是石墨,然而現在鋰離子電池的容量已經快觸頂,科學家為了尋求新突破,開始想用比容量高、電化學電壓低優點的鋰金屬來取代石墨,但鋰活性強,容易跟外界的水分與氧化物起反應,同時也會跟內部的電解質相互反應,進而形成不均勻、易破碎的固態電解質介面(Solid Electrolyte Interface,SEI)。

正常狀況下,SEI 是鋰離子的優良導體,也能保護電池、避免發生有害反應,並讓鋰離子在電極跟電解質之間來回穿梭。

對鋰離子電池性能來說,SEI 可說是關鍵要點,若 SEI 性能不佳,電池會存有許多問題,不均勻的 SEI 會導致鋰金屬沉積,形成樹狀鋰晶枝,進而造成電池容量損失、充放電效率降低或是刺穿絕緣層與短路,最終熱失控,電池起火爆炸,而通常鋰晶枝最容易在負極形成。

因此美國史丹佛大學和 SLAC 國家加速器實驗室研發全新的 SEI 薄膜,並將覆塗全新 SEI 的負極與其他商用零件結合看看,打造全新電池,實驗指出,在 160 次循環後,仍能保有 85% 的容量。

團隊指出,全新塗層會形成分子網路(network of molecules),將帶電的鋰離子均勻輸送到電極中,用來防止不必要的化學反應與生成鋰晶枝,進而降低電池失控的風險,史丹佛大學化工系俞之奡(Zhiao Yu,奡音讀奧)表示,這也有助於提高鋰電池的穩定性。

這也不是第一個瞄準鋰負極的團隊,中國天津大學與清華大學科學家也透過全新的浸塗(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負極,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 的鋰負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。

不過不管是美國團隊、還是中國的團隊,目前都還在最佳化設計中,希望能進一步提高電池容量,以及使用壽命,研究尚未離開實驗室階段。目前研究已發表在《Joule》。

(首圖來源:科技新報。首圖來源:pixabay

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