神奇半導體黑磷也是鋰陽極潛力材料,電池儲電量有望再提高

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 06 日 14:25 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


科學家一直以來都想要擴大鋰離子電池的儲電容量,透過將石墨陽極換成鋰或著是矽材,讓人們不用擔心手機電量、開著電動車也不必顧慮與充電站的距離,而現在美國科學家發現另一種效率也不錯的替代材料:磷。

鋰電池的陰極(正極)是由鋰和鈷、鎳、錳等過度金屬組成,陽極(負極)材料則是石墨、銅製成,鋰離子會在兩極間與電解質之中來回移動,其中陽極材料影響電池容量甚鉅,雖然石墨儲電穩定性與耐用性高,經過 1,000 次充放電循環也不會影響電池性能,只可惜其理論儲電容量低,愈來愈難滿足現代人的需求。

目前有不少科學家為了提高電池容量寄望於鋰、矽材料,認為這些材料可以將儲電容量拉高 2 倍,能量密度也能顯著提升,以實驗結果來看,表現也不錯,不過除此之外還有沒有更多選擇?最近美國阿貢國家實驗室發現,磷的應用潛力高,有著比石墨更高的儲電容量,跟矽一樣,理論儲電容量是石墨的 10 倍。

只是磷跟矽、鋰材料一樣,在電池充電過程中會「膨脹」,有損材料的耐用性與壽命,不過團隊認為,這仍是一項值得挑戰的研究,美國阿貢國家實驗室化學家 Gui-Liang Xu 表示,磷的能量吸附能力高,實際測試後,也發現磷陽極的初使庫倫效率超過 90%,代表陽極跟電解質沒有發生太多副反應。

團隊將黑磷和導電碳磨成微米級顆粒,製成全新的複合陽極。最終實驗結果也符合團隊期待,研究指出,新型陽極的初始庫倫效率高達 91%,比容量(容量密度)約為 2,500 mAh,隨後科學家也把全新陽極實際裝設在鎳鈷錳陰極鋰電池中。

其中黑磷是白磷在高溫高壓下轉化而成,是磷的同素異形體中,密度最大、熱力學最穩定以及性質最不活潑的一種,有著像石墨一樣的片狀結構跟導電性,也是被受期待的新興二維半導體材料,可以應用在電晶體、光電設備等。

黑磷性能穩定應用範圍又廣泛,因此團隊在考量金錢與商業化成本後,還有測試雖然更便宜、但導電性較低的紅磷,只不過阿貢國家實驗室並沒有公布紅磷陽極的實驗結果,僅表示有具備穩定性優勢、高出使庫倫效率等。

目前團隊下一個目標將是研究大規模製造紅色磷陽極,希望能進行產學研合作,擴大材料製造規模,使得最後的商業化進展順利。

(首圖來源:shutterstock)