研發全新固態電解質介面材料,鋰電池能量密度望翻倍成長

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 15 日 14:15 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly


許多科學家都正絞盡腦汁,盼讓鋰離子電池性能與壽命更上一層樓,近日美國賓夕法尼亞州立大學則推出全新的電池結構,將有望讓鋰電池性能與壽命翻倍成長。

鋰電池主要由電極、電解質與隔離模組成,鋰離子首先會從正極出發,經過電解質最後抵達負極,而在電池首次充放電池,電極與液態電解質之間會形成固態電解質特性的鈍化層,其名為固態電解質介面(Solid Electrolyte Interface,SEI)。

SEI 擁有雙重身分,為電子絕緣體同時也是鋰離子的優良導體,而該薄膜可保護電池、避免發生有害反應,並讓鋰離子在電極跟電解質之間來回穿梭,對鋰離子電池性能來說,SEI 可說是關鍵要點,若 SEI 性能不佳,電池會存有許多問題。

一旦 SEI 開始衰退,成堆問題便接踵而來,像是在多次充放電之後,鋰電極就容易沉積不均勻並長出枝晶,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。

對此,賓夕法尼亞州立大學團隊決定用聚合物複合材料打造新型 SEI,他們結合聚合鋰鹽、氟化鋰奈米粒子和氧化石墨烯片,希望可打造性能超群的長壽防爆鋰電池。

(Source:賓夕法尼亞州立大學

團隊指出,若要提升鋰介面穩定性,需要非常精細、達到分子水準(molecular level)的技術,而新型聚合物複合材料除了會在鋰金屬表面形成鉤狀鍵,還會以被動方式提供能量,這樣一來材料就不會跟電解質分子起反應,再加上奈米片也具有隔離作用,使鋰電極難以形成晶枝。

賓夕法尼亞州立大學機械與化學工程教授 Donghai Wang 指出,透過全新的 SEI 膜,團隊將有望讓鋰電池的能量密度翻倍成長,與此同時大幅提升其壽命與安全性。

先前阿貢國家實驗室與丹麥哥本哈根大學、德國慕尼黑工業大學和 BMW 集團也一同著手研究 SEI,並成功解開常見化學物質氟化鋰的運作機制,該研究指出,電池在充電過程中會產生氟化氫電化學反應,從電解質轉變成固態氟化鋰並生成氫氣,而這類反應皆高度依賴石墨、石墨烯和金屬等電極材料,顯然電池催化劑的重要性相當高。

而不管是賓夕法尼亞州立大學團隊還是阿貢國家實驗室團隊,這些科學家皆認為,假如可深入了解 SEI 薄膜的化學性質與獨立成分規則,就可進一步提升電池效率,而未來這些科學家是否能成功以新型 SEI 薄膜為鋰電池帶來新氣象,還需要持續的研發與實驗。

(首圖來源:pixabay

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