矽奈米粒子可助鋰電池一臂之力,電池容量有望增 10 倍

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 18 日 8:00 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 電池 follow us in feedly

通常智慧型手機的電量會在一天之內用罄、電動車續航里程則平均不到 500 公里,目前電池容量著實不高,但加拿大阿爾伯塔大學有望改變這一現狀,該團隊在鋰離子電池陽極添入矽奈米粒子,成功研發出電池容量超過 10 倍的矽-鋰電池。




鋰離子電池是目前電池儲能系統技術龍頭,消費型電子產品、電動車或是儲能系統都可以看到它們的身影,只不過該電池還是存在許多挑戰,像是電解質易燃、容量不高與壽命短等問題,這些都是科學家想逐一突破的課題。

其中矽可說是大幅提升鋰電池容量的陽極好幫手,不管是吸收鋰離子的效果還是在地殼上的含量,都比現在鋰電池採用的石墨陽極還要好,若採用 100% 矽陽極,電池容量理論上可以增加 70%,但事情總是沒有想像中那麼簡單,矽在充電時體積會膨脹 300%,放電時又會縮小恢復正常,只要充電一次矽材料就會不堪負荷碎成粉狀,大幅限制矽含量。

因此現在各國科學將都想要克服這項挑戰,像是先前挪威能源技術研究所將矽奈米粒子與未命名材料相結合,使矽顆粒能承受較大的體積變化,有望將電容量提升最高 5 倍;美國 Sila Nanotechnologies 公司則採用石墨-矽奈米複合材料,運用多孔支架為矽挪出可膨脹與縮小的空間,解決膨脹問題並讓電池容量提高 20%。

顯然這些研究都跟奈米技術有關,將矽製成奈米級的晶體、線狀或管狀或許就可以防止矽材料在充放電時受損。

而此次加拿大阿爾伯塔大學也善加利用奈米技術,並想藉此得知目前技術可以把多小的矽材料放入鋰電池陽極中,阿爾伯塔大學化學家 Jillian Buriak 指出,團隊想觀察不同大小的矽奈米粒子在充放電中如何變化。

為了得出答案,團隊以 3、5、8 和 15 nm 四種不同直徑長度的矽奈米粒子進行實驗,將奈米粒子均勻放入高電導石墨烯氣凝膠之中,最後發現最小、約三十億分之一公尺的奈米粒子拔得頭籌,Buriak 對此表示,研究發現,將奈米粒子縮小有助科學家控制矽的膨脹與縮小等應變。

根據團隊在《Chemistry of Materials》發表的研究,在電流密度達每克 400mA 下,新電池經過 500 次充放電之後表現仍良好,比容量達每克 1,100mAh,容量也能維持在 90%。

由於研究初步有成,阿爾伯塔大學下一步則計劃找出更便宜、更快速的矽奈米粒子製造方法,希望可盡快將該技術整合到現在的鋰離子電池製程,或許未來哪一天,電池充電速度與電池重量就能減少 10 倍,電動車續航里程也能增加 10 倍。

(首圖來源:Flickr/massmatt CC BY 2.0)

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