日本研發新型「自癒」電極材料,有望延長電池使用壽命

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 20 日 8:30 | 分類 材料、設備 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly


隨著充放電次數增加,電池中材料的性能日漸衰退,進而影響儲電容量跟電荷傳遞,為此日本東京大學科學家提出新解決辦法,運用全新「自修復」電極材料讓電池自癒,或許能進一步延長電池使用壽命。

電池基本上是由一層層材料組成,結構分為陰陽兩極、電解質與隔離膜,離子首先會從陰極出發,經過電解質與隔離膜最後抵達陽極。

只不過電池有其壽命,電池中的材料主要是透過微弱的凡得瓦力(Van der Waals force)聚集,以分子間正、負電荷的微小吸引力來穩固結構,但陰極材料在充放電過程中會不斷膨脹與收縮,進而產生壓力並影響凡得瓦力,使晶體結構出現失序的原子排列、出現疊差(stacking fault)狀況,最終層狀結構逐漸產生裂縫或是變薄,造成電池儲電與充放電表現不盡理想。

對此,東京大學工學系教授山田淳夫(Atsuo Yamada)團隊帶來全新的解決方案,採用名為 Na2RuO3 的層狀氧化物,讓電池材料能自我修復,有望放慢電池的退化速度。

團隊主要是以材料間的庫倫引力(coulombic attraction)來控制穩定性,其中庫倫引力跟凡得瓦力一樣,也是正負電荷之間的吸引力,同號電荷相斥、異號相吸,影響效果則比凡得瓦力還要大。研究指出,當帶正電荷的鈉離子從材料中離開時,就會形成帶負電荷的電洞,之後電洞會和材料中剩下的鈉離子產生強烈的電吸引力,有助結構恢復原樣。

該材料或許能緩解電極的退化情形,不過目前山田淳夫團隊尚未實際測試新電池的壽命與性能,還需要再進一步研究與驗證,山田淳夫表示,Na2RuO層狀氧化物材料或許能延長電池的使用壽命,但也有可能達到反效果。

延長電池壽命一直都是科學家的目標,就好比先前美國聯合科學團隊透過抗腐蝕的高度氟化(fluorinated)電解質,除了可穩定腐蝕性材料的可逆反應、延長電池壽命,還具有防火功能,減緩鋰電池易燃問題。

而東京大學也不是第一個想研發「自癒」電池的團隊。美國史丹佛大學、美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室 2013 年曾開發出能自我療傷的電極,團隊在電極包覆一層有彈性的聚合物後,當電極在電池充放電過程中出現微小裂縫時,這層保護膜就可捆住電極,讓縫隙自行修復。

由上述例子可以看出科學家一直以來都想高電池性能,盼未來可研製出使用壽命更長的電池,讓人們不用再擔心電池的健康程度,以及高昂的換電池費用。

(首圖來源:東京大學

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