挪威團隊開發鋰電池矽合金負極材料 SiliconX,電容量提升 3~5 倍

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 19 日 16:33 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 零組件 follow us in feedly

矽是在大幅提升鋰離子電池表現中極具前景的負極材料,理論上可增加電池容量至少 10 倍,只是科學家一路走來還沒完全克服負極矽的最大限制,即充放電時,矽的體積變化率過大而易破裂。最近,來自挪威能源技術研究所的科學家開發出稱為 SiliconX 的全新材料,聲稱可以克服這項問題。



傳統石墨負極電池的理論最高容量只有 372mAh/g,而如果完全以矽做為負極材料,理論上電容量將比石墨負極高 10 倍,也因此矽碳材料已然成為鋰電池負極研發重點。

只不過目前技術仍做不到 100% 矽負極,因為隨著電池充電,矽顆粒膨脹率多達 400%,放電又恢復正常,所以通常充一次電就會導致矽破裂成粉末,想以矽做為負極又要提高效能,最多只能用 10% 矽。由於突破點困難,時至今日,鋰電池負極材料仍以石墨為主。

多年來科學家也一直在努力研究,如何讓相對脆弱的矽做為鋰離子電池負極時保持穩定,一些有趣方法比如「石墨烯奈米牆」。我們已經知道石墨烯是目前世上最薄卻也最堅硬的神奇奈米材料,導電率還超高,科學家在矽顆粒上生長石墨烯層,於電子顯微鏡分析下發現石墨烯就像一道無堅不摧的牆,如此一來保護了矽過度與電解液反應,二來還可以當作矽膨脹緩衝層,避免電池一充電,矽顆粒就爆走。

也有尋求結合矽與其他材料的方法,訣竅在於找到矽與石墨(或其他材料)正確混和比例及結構,比如最近挪威能源技術研究所(Institute for Energy Technology,IFE)團隊帶來的研究成果。

該團隊開發出專利矽合金,用特有方式結合矽奈米粒子與一種未命名材料,能承受矽顆粒在充放電時較大的體積變化,雖然電容量提升程度沒辦法媲美 100% 矽負極,但與今日電池相比,還是至少多了 3~5 倍,且充放電週期穩定性也遠高於快速降解的純矽負極。

▲ 純矽負極(黑線)與矽合金負極(藍線)容量變化穩定性比較圖。(Source:挪威能源技術研究所

如果團隊可以在實驗室外重現這些成果,代表有朝一日,我們的智慧型手機每週只要充兩次電,而電動車充一次電可以駕駛超過 1000 公里──讓人期待的「如果」。

(首圖來源:挪威能源技術研究所

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