在鋰電池電極覆塗奈米碳管,有望抑制晶枝生成提升安全性

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 30 日 15:40 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly

近年來為了讓鋰離子電池在眾多儲能後起之秀中維持優勢,科學家不斷利用新興技術來增強鋰離子電池的安全性與儲存容量,而現在美國萊斯大學(Rice University)透過在電池陽極覆塗奈米碳管薄膜,有望解決電極生長鋰晶枝、電池易自燃的安全隱憂。



儲能技術一直以來都是科學家相當重視的領域,其中電池又因為便於攜帶、能量密度高與成本較低,可說是重要研究對象,科學家紛紛開發出不同化學性質的電池,而鋰離子電池雖然具有充放電效率高、輸出功率大與低自放電優點,但鋰活性較強,在充放電過程中容易沉積鋰離子,電極表面會因為沉積不均勻形成樹枝狀鋰晶枝,進而造成電池容量損失、充放電效率降低或是刺穿絕緣層,最終導致電池起火。

萊斯大學化學科學家 James Tour 表示,若要解決鋰離子電池易生成晶枝挑戰,其中一個辦法就是降低鋰離子電池的充電速度,但這並不是消費者所期望的結果,因此還得想出其他的辦法。

根據團隊在《Advanced Materials》發表的研究,萊斯大學在鋰電池陽極覆塗鋰化多壁奈米碳管(lithiated multiwall carbon nanotubes),透過既簡單、便宜又高效率的方式來抑止鋰晶枝生長,其中奈米碳管在 1991 年被科學家發現,導電性、導熱性、材料強度都比矽還要高,為近年來炙手可熱的研究材料。

▲ 新型鋰陽極運用奈米碳管薄膜抑制晶枝生長。

Tour 指出,鋰離子滲入奈米碳管層後,薄膜會從黑色變成紅色並讓鋰離子在其中擴散,最後奈米碳管內會布滿鋰離子。當電池運作時,薄膜會釋放儲存的鋰離子,之後鋰陽極則會重新填滿鋰離子,這樣一來就可以維持薄膜運作與阻止晶枝生長。

實驗結果也相當符合團隊期待,研究目前已打造出奈米碳管陽極與硫化碳陰極的鋰離子電池原型,在 580 次充放電循環中,除了能有效減少鋰晶枝生成,其庫倫效率更可維持在 99.8%,若團隊可成功讓研究走出實驗室,說不定可進一步擴大鋰離子電池的應用範圍。

▲ 充放電 500 次循環後的對比圖。右側為一般鋰電池晶枝生長狀況,左側則是覆塗奈米碳管的陽極,幾乎沒有生長晶枝。

鋰離子電池目前為儲能技術領頭羊,但是由於安全隱憂、電解質具高度易燃等缺點,大幅限制鋰離子電池的製造與應用,因此不少科學家試圖找出各式解決辦法,盼在不影響電池性能的情況下打造另一種電極、開發新型電解質等。

像是先前中國科學家在電解質中添入防火效果相當好的硼酸鎂(Mg2B2O5)奈米線、美國西北太平洋國家實驗室的美國環境分子科學實驗室(PNNL/EMSL)則研發出新型阻燃局部型高濃度電解質(LHCE),顯示各方仍看好鋰離子電池的未來發展,希望鋰電池能再進化。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;圖片來源:RICE UNIVERSITY