科學家用氟化物與全新固態電解質,將鋰電池的鎳、鈷取而代之

發佈日期: 2019 年 09 月 16 日 16:10 | 作者: | 分類: 產業資訊

最近美國喬治亞理工學院研究人員帶來全新的固態鋰離子電池設計,以便宜的過度金屬氟化鐵以及固態聚合物電解質,降低人們對鈷、鎳金屬的需求,並研發更便宜與安全的鋰電池。

人們生活離不開鋰離子電池,從小型的智慧型手機、筆電到大型的電動車與電池儲能系統都會用到,但隨著用量與日俱增,也為電池原料供應帶來不小的壓力,畢竟用量增加,但金屬新增產量一定有限。

通常鋰電池的陰極是由鋰和鈷、鎳、錳等過度金屬組成,先前能源顧問公司 Wood Mackenzie 報告便指出,隨著汽車製造商增加電動車產量,電動車電池重要金屬原料鋰、鈷和鎳等,可能會在 2020 年中期面臨供應吃緊的現象。

因此喬治亞理工學院決定換種材料試試,利用氟化鐵活性材料和固態聚合物電解質奈米複合材料打造全新電極。

過去過渡金屬氟化物因為具腐蝕性、過於活潑等穩定性問題,縱使容量高、材料成本低、地球含量多,仍不受科學家待見,但由喬治亞理工學院材料科學與工程學院教授 Gleb Yushin 帶領的團隊發現,把氟化物跟固態電解質湊對的話,高溫下電池也能正常運作。

若實驗有成,將有助於研發更輕、更便宜與安全的鋰離子電池,添加氟化鐵的鋰陰極容量也非常高,是鈷基、鎳基的兩倍之多,除此之外,鐵還比鈷便宜 300 倍、比鎳便宜 150 倍,在材料成本方面根本完勝。

但為什麼跟聚合物電解質組合就沒事呢?科學家指出,主要優點有兩個,其一,它能在充放電循環時彎曲,適應氟化鐵的溶脹(swelling)現象,解決過去氟化鐵的膨脹和大量副反應問題;其二,能在鋰 - 氟化鐵電極之間形成穩定與可撓的介面。

團隊實驗測試指出,新型電池的容量達 450 mAh g,即使處在攝氏 50 度下,充放電循環也超過 300 次,室溫環境表現也優於過去的設計。

在研究中,固態聚合物電解質功不可沒。過去若採用金屬氟化物電極,只要溫度一超過攝氏 37 度,陰極表面的金屬離子就會溶解到電解質中,最後電池容量大打折扣,而固態聚合物電解質形成的介面能有效防止金屬溶解、離子「逃離」電極。

未來該團隊還會持續深入研究固態聚合物電解質,研究員指出,他們目前採用的聚合物電解質非常普遍,而且其他固態電解質或是電極結構或許也能達成。目前研究已發表在《Nature Materials》。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:pixabay

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