專家:鋰金屬電極瓶頸突破尚需十年光景,但值得期待

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 17 日 17:24 | 分類 材料 , 材料、設備 , 零組件 follow us in feedly

現今鋰離子電池普遍以石墨取代鋰金屬做為電池陽極,但專家知道,如果能使用鋰金屬,一個鋰電池的比能將提高 35%、能量密度提高 50%。不過看看鋰金屬電池目前的研究狀況與未來挑戰,美國能源部 ARPA-E 計畫負責人 Paul Albertus 認為,這項技術想獲得突破至少還要 10 年光景。



《gtm》報導,如果比能(specific energy)提高 35%、能量密度(energy density)提高 50% 後,相當於電池的重量能量密度達到約 350~400Wh / Kg,體積能量密度約 1,000 Wh / L。目前,鋰離子電池組的比能為重量能量密度約 150Wh / Kg,體積能量密度 250Wh / L,而美國能源部對電動車的目標定在 235Wh / Kg、500Wh / L。

樹枝狀結晶(dendrite)為一種發生在鋰電池陽極的嚴重問題,也是導致鋰電池起火爆炸、壽命縮短的元凶,當電池不斷循環充放電時,鋰金屬也不斷重複生成、游離,過程中電極與電解質之間會形成固態電解質界面(Solid electrolyte interface,SEI),如果 SEI 不穩定,就會導致鋰不均勻分布在陽極上,並開始形成樹枝般的結構,一旦樹枝延伸碰到對面的陰極便形成短路。

為了避免枝晶形成,商業化鋰電池陽極才捨棄金屬改用石墨,雖然大大降低了樹枝狀結晶形成,但電池效率也大打折扣。如果有天鋰金屬可以正式在陽極站穩腳步,電池將能儲存更多能量,並迎來一場歷史性的重大革命:電動車充一次電可以駕駛更久、電網有了強而有力的儲電後援軍,以便部署更多風能和太陽能設施。

近年來,美國能源部 ARPA-E 項目啟動了一項名為 IONICS 的儲能計畫,為鋰金屬電極領域的早期研究提供補助,具體使用過 ARPA-E 補助金的單位包括 24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、愛荷華州立大學等。

隸屬於美國能源部的西北太平洋國家實驗室(PNNL),則於 2015 年首次找到一種稱為六氟磷酸銫(CsPF6)的電解質添加劑,可幫助電池陽極(負極)形成保護膜以防止枝晶形成,提升電池性能,希望為電動車領域打開一條康莊大道。

不過 Albertus 認為,鋰金屬電極結合固體材料的電解質研究,更能使鋰金屬電池有朝一日成為鋰離子電池繼任者,因為最低成本可以降到每千瓦時僅 100 美元,且固態電解質的電池不易燃,操作也更安全。

這月初,中國科學家在美國化學學會的雜誌上發表論文,他們以薄層不對稱的固體電解質實現了無枝晶生成的鋰金屬電池,電解質面向陽極的一側是剛性陶瓷材料,抑制鋰陽極的枝晶生長;面向陰極的一側則由軟聚合物製成以達到低電阻界面目標,透過這種不對稱固體電解質的設,研究人員希望可在固態電池中獲得高能量密度。

對鋰金屬電極進行研究的企業、政府實驗室數量不在話下,但比起其他技術,如將矽用於鋰離子電池的陽極,鋰金屬電極想真正突破瓶頸可能還需要 10 年,但專家相信,一旦成功,電池產業的革命便指日可待。

(首圖來源:pixabay