英國開發新型電極材料,有望加速快充鋰電池進展

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 30 日 13:58 | 分類 材料、設備 , 電池 follow us in feedly

隨著智慧型產品的普及與成熟發展,消費者胃口也越來越大,快速充電功能已然成為智慧型產品的重要賣點。近期英國劍橋大學則透過全新的電極材料,進一步提高鋰離子在電極的移動速度,未來有望成功研發出快充鋰電池。



鋰電池主要由正極、負極與電解質構成,鋰離子透過電解質在電極兩端游移,當我們為電池充電時,鋰離子會從正極中離開,並穿過晶體結構與電解質移動到負極儲存,只要提高這一過程的速度,電池充電的速度就能加快。

目前的負極多是由石墨組成,雖然材料具有高能量密度,但如果以石墨材料發展快充技術,電極與電解質的交界就容易產生鋰晶枝,導致電池效能下降,甚至會因晶枝刺破隔離膜,造成電池內部短路起火進而爆炸。

因此為解決當前難題,英國劍橋大學不停在尋找替代材料,想要開發出更安全的快充電池。

通常在尋找新電極材料時,研究員都會嘗試讓材料粒子變小。英國劍橋大學化學系教授 Kent Griffith 表示,如果可以縮短鋰離子移動距離,倍率效能(rate performance)確實會更高,但要製造出含有奈米粒子又可用的電池真的很難,這類電池的電解質會產生許多零碎的化學反應、縮短電池的壽命。

奈米粒子製造成本不僅高,在電池應用上也具有挑戰性,劍橋大學化學系教授 Clare Grey 也補充,奈米粒子性質滿蓬鬆(fluffy)的,很難去把它們緊密包覆,但這一步驟可說是電池體積能量密度關鍵部分,對電池容量相當重要。

尋覓成功材料的路途相當漫長,所幸現在劍橋團隊找到鈮鎢氧化物(niobium tungsten oxides),該材料具有剛性、開放性結構與複雜的原子排列,是個以往研究很少接觸到的氧化物。

目前許多電池材料都是由兩到三個晶體結構組成,但鈮鎢氧化物結構則截然不同。Griffith 表示,氧化物除了能利用氧氣的支柱(pillars)讓鋰離子以 3D 形式穿梭,氧氣柱也可以讓材料比一般電池化合物更加堅硬,再加上材料本身的開放性結構,可讓更多鋰離子穿過材料,離子移動速度也會進一步加快。

為了證明材料確實有效,研究還透過脈衝磁場梯度(Pulsed field gradient,PFG)核磁共振技術技術來測量鋰離子游移的速度,並發現與一般電極材料相比,採用鈮鎢氧化物後鋰離子移動速度快好幾倍。

除此之外,鈮鎢氧化物還具有一大優勢:製造方式相當簡單。不像奈米粒子需要多項步驟、最後僅得出少少的材料,鈮鎢氧化物不需要額外的化學品或是溶劑就可製成。

只是該材料也不是毫無缺點,雖然鈮鎢氧化物電極具有優異的鋰傳輸速度,但這也讓電池電壓會比一般的還要低。不過這也同時保證電池的安全性與壽命,鋰離子流動速度快也代表著鈮鎢氧化物為高能量密度材料,應用潛力依然很高。

未來團隊還是會持續開發新材料,Gray 表示,假如不繼續尋求新的可能性,這項技術就會停滯不前,且這些有趣的材料也能讓團隊更了解如何設計高效電極材料。目前研究已發表在《Nature》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay