提升鋰電池陰極安全性與性能,科學家盼以鎳取代鈷材料

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 19 日 16:45 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly

智慧型手機、電動車與電池儲能系統如今能蓬勃發展,鋰離子電池功不可沒,而如今科學家為了使電池性能更上一層樓,打算運用富含鎳的材料打造全新電池陰極,盼能研發續航力更久、更輕便的鋰離子電池。




鋰電池結構分為電極、電解質與隔離模,鋰離子首先會從陰極出發,經過電解質最後抵達陽極,而延長電池壽命、提升性能的辦法有千百種,有些科學家從鋰陽極著手,想要讓電池的儲電容量更上一層樓,有些則是將目光轉向電解質,希望可以透過更換成固態電解質,降低鋰電池易起火自爆的風險。

而此次美國布魯克黑文國家實驗室(BNL)與 SLAC 國家加速器實驗室等團隊則瞄準電池陰極,該團隊指出,目前陰極材料多採用鋰鈷氧化物,但鈷的成本與毒性可說是電池發展的阻礙之一,團隊打算利用富鎳材料(nickel-rich materials)以減少鈷含量。

富鎳材料穩定性低

不過研發新電極材料之路總是有許多挑戰:富鎳材料容易衰退,致使儲電容量降低。通常電池充放電時,陰極材料會膨脹與收縮,進而產生壓力,假如材料無法迅速排解壓力,材料可能就會出現裂縫。

BNL 化學家 Enyuan Hu 表示,富鎳是一種相當複雜的材料,它在電池充放電過程中可任意伸長與縮短,因此團隊得進一步了解富鎳材料的物理與化學變化機制,深入研究鎳、鈷、錳、氧和鋰元素。

該團隊已透過同步加速器光源來檢測富鎳材料的變化,之後再運用 X 光吸收光譜(XAS)研究富鎳材料中活性金屬離子的原子圖。研究指出,富鎳材料結構堅固,充放電過程中出乎意料地不會釋放大量氧氣,且材料衰退的原因皆指向鎳。

因此為進一步了解原因,團隊再以穿透式 X 光顯微鏡(TXM)描繪材料的化學變化圖與透過機器學習技術分門別類,最終團隊發現,材料顆粒中的鎳原子氧化態相當不穩定,有些鎳原子會維持氧化狀態與並失去活性,進而讓鎳的效率降低,其他實驗也指出,這已讓材料產生細微裂縫。

團隊認為,未來或許可以把富鎳材料打造成空心結構,或許就能解決這一問題,先前研究也指出,空心結構的抗壓性較實心結構強,而空心結構是否能發揮預期效用,還得持續分析、測試與鑑定。

(首圖為示意圖,來源:Flickr/massmatt CC BY 2.0)

關鍵字: ,