鋰電池也能安全與容量兼備,研究指出極材料表面才是關鍵

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 14 日 14:00 | 分類 材料 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly

為了提高鋰離子電池的安全性,科學家至今已嘗試多種方法,像是開發新電極材料亦或是換成固態電解質,但現在美國科學家有了新發現,若要打造耐熱防爆的電池,其實跟電池材料內部沒有多大關係,正極材料表面的穩定性才是一大關鍵。

鋰離子電池廣泛應用在智慧型手機、筆記型電腦與電動車,人們生活必不可少的重要設備都需要它,但鋰電池也存有缺點,當電池受到撞擊、過充、電流過大或是故障,運作溫度可能就會超過工作溫度範圍,並引起熱失控(thermal runaway),進而產生起火自爆的風險。

因此各方科學家一直都在尋找過熱的問題根源,試圖降低電池危險性,就好比有些科學家從開發固態電解質與緩解鋰晶枝著手,其中鋰活性強,在充放電過程中容易沉積鋰離子,電極表面會因為沉積不均勻形成樹枝狀鋰晶枝,這些晶枝容易刺穿絕緣層,最終導致故障電池起火。

而此次美國德州大學達拉斯分校則帶來全新的見解,他們經過種種材料模擬、合成與表徵測試以及電池性能檢驗後,最終發現鋰離子電池過熱根源並不在材料內部,德州大學達拉斯分校材料科學與工程教授 Kyeongjae Cho 表示,正極材料的表面才是問題所在,提高材料表面穩定性才可以打造高容量又安全的電池。

▲ 鋰離子電池正極材料粉末的表面(Source:德州大學達拉斯分校

研究指出,基本上電池在重複充放電的同時,材料也在衰退,電池釋放能量時更會與產生熱,當釋放過多熱量與能量,電池就會引起火災,Cho 認為,只有電池材料表面會有不穩定與不安全的疑慮,假如可以找出問題所在,科學家就能緩解電池的安全疑慮。

鋰離子電池主要由正極、負極、隔離膜與電解質構成,鋰離子則透過電解質在電極兩端游移,其中電池在充放電時,電池材料表面會釋放氧氣並產生鎳粉塵,使鋰離子傳遞過程受阻,這就會讓電池容量快速下滑,且隨著熱量不斷增加,起火與爆炸的可能性也會同時提高。

對此,Cho 建議,可以在電池材料表面添加氧化物塗層,重新建構電池的結構與製程,雖然可以想見研究與實驗所耗費時間會相當長,但這是解決鋰電池安全問題的方法之一。

研究員則指出,這有機會讓電池容量提高 20-30%。

(首圖來源:shutterstock)