史丹佛推出全新液態電解質,鋰陽極電池終於有機會成真

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 24 日 16:28 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


鋰離子電池之所以能順利運作,負責在陽極與陰極之間傳遞鋰離子的電解質功不可沒,但同時電解質也是電池的致命弱點,傳統的碳酸鹽電解質具備易燃燒缺點,在電池安全性埋下隱形炸彈,而最近美國史丹佛大學研發出的全新電解質或許能解決這問題,還有助鋰陽極電池發展。

鋰陽極是提高鋰電池儲電容量途徑之一,通常鋰電池的陽極(負極)材料是石墨、銅製成,只是科學家相信,改用鋰製陽極之後就能提高儲電容量,能量密度也能顯著增加,但升級有風險,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。

不少科學家正在尋找既能提升電池性能,又可降低爆炸風險的法子,對此論文第一作者 Zhiao Yu 團隊採用的方法並非尋找新電解質材料,而是改良既有的市售液態電解質,想透過「添加物」解決穩定性問題。

團隊假設,在電解質添加氟原子可以提高液態電解質的穩定性。其中氟雖然活性大,毒性強又易燃,但基本上氟化合物異常穩定,常用在牙齒護理、製藥與電層掃描等等。Yu 表示,其實氟本來就是常見於電池電解質的元素,只是團隊再加以利用氟電子親和力較高的特性,再合成全新的化合物 FDMB,與過去潛力高但成本貴的材料相比,FDMB 價格相當便宜、也很容易大量製備。

相較於傳統的鋰離子電池電解質,新型電解質的安全性較高,史丹佛大學團隊針對安全性部分,有進行碳酸鹽電解質(左)和新型 FDMB 電解質(右)的燃燒測試,發現一般的電解質在接觸打火機火焰的那一霎那就立刻可燃,但 FDMB 還可以撐 3 秒。

同時團隊也在鋰陽極電池實際測試新電解質的表現,發現在 420 次充放電循環後,電池仍可保留初始電量 90%,相較之下,過去的鋰陽極電池壽命大概只有 30 次充放電循環,未來鋰陽極電池有機會成真,鋰陽極半電池與全電池的庫倫效率也已接近商業化標準 99.99%,分別為 99.52% 和 99.98%。

團隊也在無陽極鋰金屬袋式電池( pouch cell)進行測試,這種電池因為較為輕巧,可以應用在無人機、或是其他消費性電子產品中,而雖然說表現不如鋰離子電池,但是 100 充放電循環後仍有 80% 容量,是成績最好的無陽極鋰電池。

(首圖來源:史丹佛大學