用超音波抑制電池晶枝生長,鋰陽極研究露曙光有望成真

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 21 日 14:32 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly


手機、筆記型電腦、電動車與儲能系統之所以能穩定運作,鋰離子電池功不可沒,不過它並非完美無缺,其安全性與儲電容量都還有許多進步空間。而現在美國科學家研究有新斬獲,成功用「聲波」解決電池不穩定的問題,且這種方法還能應用在電池容量更高的鋰陽極電池,同時跨越安全與容量挑戰。

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,而通常陽極材料影響電池容量,過去研究中,有不少科學家為了提高電池容量寄望於鋰,認為此鋰材料可以將儲電容量拉高 2 倍,能量密度也能顯著提升。

只不過鋰陽極除了提高電池容量,風險也伴隨而來。鋰金屬活性強,活性甚至比鈉、鎂等金屬都還要高,在充放電過程中會容易沉積鋰離子,最終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。

因此過去有不少團隊認為,若要採用鋰材料,得先在鋰周圍裹一層防護罩,不過這次美國聖地牙哥加利福尼亞大學(UCSD)決定帶來全新的法子:用聲波抑制不利因素。

該團隊用現成的模組打造出微型超音波設備,並放入鋰陽極電池中。研究指出,超音波設備可以透過電解質發送 1 億赫茲到 100 億赫茲的高頻率聲波,用超音波震盪產生循環電流(circulating current )、讓液態電解質可保持流動,避免電極表面因鋰離子沉積不均勻而形成鋰晶枝。

超音波沒有輻射線、工具設備也小,因此應用範圍相當廣泛,除了常見的產前檢查、篩檢等醫療方面等,人們也用超音波過濾手機的無限蜂巢訊號,以及進行語音辨識與過濾等,現在甚至還有超音波指紋辨識,而論文通訊作者兼 UCSD 電機與航太工程教授 James Friend 表示,隨著技術日新月異,團隊也可以用超音波技術來提高電池性能。

團隊研究指出,搭載超音波設備的鋰陽極電池穩定性佳,充放電 250 循環後仍可穩定運作,電量 0 到 100% 甚至只需 10 分鐘,且團隊指出,這項研究不僅能用在鋰離子電池,也適用於任何電化學電池,不用考慮到化學成分。目前研究則已發表在《 Advanced Materials》。

各方積極投入鋰陽極研究

過去有不少團隊都想研製出鋰陽極電池,視鋰金屬為電池陽極的「夢幻材料」,像是美國華盛頓州立大學(WSU)、麻省理工學院(MIT)與澳洲迪肯大學(Deakin University)不久前都有推出最新研究。

其中華盛頓州立大學用鋰、以及常見於頭皮屑洗髮精的二流化硒(selenium disulfide)多孔碳結構製做陽極,並在電解質中添加兩種添加劑,發現在添加劑與電極作用下,會在鋰陽極表面形成保護層,不僅具有導電、耐用與穩定等優點,還可以避免生成鋰晶枝。

該研究測試指出,每一次充放電循環容量僅降 0.08%,500 次後也不影響電池效率,庫倫效率也大大提高到 98.9% 以上。

麻省理工學院團隊也研發新型鋰陽極結構,讓固態電池在 100 次循環後也不會膨脹破裂;澳洲迪肯大學則是瞄準固態電解質,推出不同且適用於鋰陽極的電解質方案,用現有的商用聚合物材料 PDADMA FSI 以及鋰鹽 LiFSI,將液態電解質取而代之,提高穩定性。

(首圖來源:UCSD

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