美科學家為陰極開發保護層,鋰電池安全性再升級

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 17 日 14:06 | 分類 能源科技 , 電池 follow us in feedly

為了讓鋰離子電池性能更上一層樓,科學家不斷推出新防護技術,最近美國能源部阿貢國家實驗室便為鋰電池陰極研製出全新保護層,新陰極塗層不僅能有效避免陰極跟電解質起化學反應,還可以阻止陰極釋放氧氣。




鋰電池為電動車與 3C 產品的心臟,具有高能量密度、工作溫度範圍廣、無記憶效應等優勢,可說是儲能界的領頭羊技術,然而其缺點也不容忽視,陰極材料不耐熱、液態電解質易起火燃燒、電池循環壽命短等都是科學家待攻克的挑戰。

對此,阿貢國家實驗室決定為鋰電池陰極開發防護罩,團隊首先採用實驗室獨門鎳錳鈷(NMC)陰極材料,之後再用高導電聚合物聚二氧乙基噻吩(PEDOT)進行封裝。當鎳錳鈷電池開始充放電時,PEDOT 就會變成陰極的保護塗層,有如防護罩地避免陰極跟電解質相互反應。

這聽起來跟過去的陰極塗層技術沒有什麼差別,但團隊指出,傳統塗層的保護範圍僅限陰極材料表面,因此陰極材料顆粒內部容易裂開,而 PEDOT 塗層能滲進陰極材料內部,大幅提高保護效果。

除此之外,新型塗層還有許多增益效果,其一,PEDOT 塗層可將陰極材料轉換成尖晶石型(spinel),該三維架構能改善電極上的離子流動,從而降低內部電阻並提高電流承載能力,且尖晶石還具有熱穩定性高優點,有助提高電池的安全性。

PEDOT 塗層第二個優點則是能防止陰極釋放氧氣。鋰電池存有許多危險因子,其中陰極材料在高溫與高電壓下易分解並釋放氧氣,偏偏電池電解質又容易起火燃燒,這便提高電池的爆炸風險,而阿貢國家實驗室新研究或許可緩解此難題。

阿貢國家實驗室電池科學家 Khalil Amine 表示,PEDOT 塗層能讓鋰離子與電子順利通過並有效提高結構穩定性,同時還能避免陰極釋放氧氣。

團隊認為,未來隨著新型塗層不斷改良與最佳化,電池科學家可能會逐步將 PEDOT 塗層應用在高鎳錳鈷電池中,這樣一來就可提高電池的工作電壓,進而提升電力輸出,亦或是延長電池循環壽命。

(首圖藍色部分為陰極塗層示意圖,來源:阿貢國家實驗室