利用氧化石墨烯減緩鋰晶枝生成,讓有機鋰離子電池向商業化邁步

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 07 日 12:00 | 分類 奈米 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly

擁有高能量密度與高工作電壓的鋰離子電池是各家首選儲能配備,智慧型手機、電動車到大型儲能發電廠都會出會它的身影,但乍看無所不能的電池其實有致命缺點,鋰金屬在過充或多次循環使用後容易生成枝晶,進而刺穿隔離層導致自爆。




為了解決電池短路自爆風險,科家與各大廠商不斷尋找解決方案,伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)機械與工業工程助理教授 Reza Shahbazian-Yassar 表示,雖然有機電解液可以提升鋰離子電池能量密度,但非均質(heterogeneous)鋰金屬在多次充放電之後,鋰表面容易沉積不均勻並長出枝晶,因此目前尚未成功研發可商業化的有機電解液鋰離子電池。

因此 UIC 與德克薩斯州 A&M 大學(TAMU)組成團隊,盼能加速找出解決辦法,並希望能透過超級電腦來了解枝晶形成過程中化學與物理原理。TAMU 化學工程教授 Perla Balbuena 表示,團隊目的是開發可保護鋰金屬的塗料(coating material),並可藉由塗料減緩鋰沉積(deposition)。

(Source:UIC

團隊研發一種可噴在電池玻璃纖維分離層的氧化石墨烯(graphene oxide)奈米層片 ,這些材料能讓鋰離子順利流動,同時也可減緩並控制離子與電子結合變成中性原子的速度。該塗料讓原子沉積不會像針(needles)一樣不平均,而是在底部形成平坦表面。

研究員利用電腦模型與模擬,並結合物理實驗與顯微鏡成像。結果顯示鋰離子會在氧化石墨烯層上形成薄膜,再透過材料間隙沉積到氧化石墨烯層底下,材料間隙作用類似於懷舊彈珠台的軌道,可放慢沉積速度與引導方向。

氧化石墨烯也可增加電池循環壽命,與其他電池的 120 次循環壽命相比,該電池可以達到 160 穩定循環。

該氧化石墨烯可藉由便宜實惠的噴塗來達成,但由於塗料很薄,要確定位置是個挑戰,Balbuena 表示,實驗中也無法從微觀層面上確定塗層在哪,該塗料非常薄,所以不太需要精確定位其位置。

他們也透過電腦模型探討氧化石墨烯噴塗方式,想要了解與電流收集器(current collector)平行還是垂直比較好,最終團隊發現兩者都有效,但如果想讓鋰平行沉積,材料需要足夠的間隙。Balbuena 表示,電腦模擬結果讓團隊與合作者知道離子如何透過塗層轉移,藉由這些研究,未來可能會朝向不同厚度與材料研究。目前該成果已發表在《Advanced Functional Materials》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Pixabay