不要小看腳下的柏油路!瀝青陽極 5 分鐘充飽鋰電池

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 05 日 8:43 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

來自素有南方哈佛之稱的美國萊斯大學團隊開發出以瀝青製成的多孔性碳陽極,讓鋰金屬電池充電速度比目前的商業鋰離子電池快 10~20 倍,一首歌的時間就能充飽電!此外,從瀝青衍生的碳可防止鋰電池最害怕的樹枝狀結晶(dendrite)形成,研究人員稱,這項研究將使瀝青材料在高功率快速充放電裝置中大放異彩,成為鋰電池材料界的明日之星。



我們知道鋰金屬由於其高比容量(specific capacity)和低化學電位特性而成為電池市場寵兒,但以純金屬鋰為電極的電池卻有一個致命傷:隨著充放電次數增加,電池內部會生成越來越多樹枝狀結晶,導致鋰電池短路而產生爆炸風險。為了改善這問題,1990 年代後鋰離子電池的陽極便多捨棄金屬鋰而改用嵌鋰的石墨,在一定程度上減少了樹突結晶的形成,但也因此出現另一個困擾:鋰電池效能大幅降低,儲電能力僅剩下以金屬鋰為鋰電池電極的十分之一。

不過,由萊斯大學材料科學與奈米工程學教授詹姆斯·托爾(James Tour)領導開發的鋰電池陽極一次解決了上述兩大問題。在實驗室中,研究人員使用瀝青製成多孔性碳陽極,尤其是未處理過的高錳礦來為鋰鍍層的廉價材料,實驗結果發現,電池產生的大電流密度(註 1)為 20 mA/cm,經過 500 次充放電循環後,仍維持出色穩定性。

至於電池充電速度更是大幅提升 10~20 倍,詹姆斯·托爾表示,他們可以在 5 分鐘內將電池電量從零充到滿,若是其他電池,一般都需要 2 小時或更長時間才能充飽。

▲ 左圖為瀝青、石墨烯和鋰金屬組成的電池陽極。(Source:萊斯大學

研究人員再將瀝青碳陽極和硫化碳陰極結合進行完整測試後,發現電池的功率密度(註 2)達 1,322 W/Kg,能量密度達到 943 Wh/Kg,作為比較,以鋰鈷氧化物為正極、碳為負極的鋰離子電池,其能量密度為 370 Wh/kg。顯然,對需要高功率密度的快速充放電裝置而言,瀝青材料彰顯了它的特殊地位。

2013 年時,詹姆斯·托爾實驗室曾經開發以石墨烯碳奈米管為陽極材料的鋰離子電池,這類陽極也可以阻止樹突結晶形成,不過相比之下,雖然兩者電池容量相差無幾,但瀝青複合材料的製造過程卻更簡單,成本也更低廉,它不需要電子束沉積、化學氣相沉積等步驟。這項研究已發表在美國化學學會的期刊上。

註 1:在電磁學裡,電流密度(current density)是電荷流動的密度,即電流量每單位截面面積,對電力系統和電子系統來說,電流密度是很重要的,因為電路的性能與電流量緊密相關,而電流密度又由導體的物體尺寸決定。
註 2:功率密度,是指燃料電池能輸出的最大功率÷整個燃料電池系統的重量或體積,單位是瓦/公斤或瓦/升。

(首圖來源:pixabay)