容量更大、更輕薄的下一代升級版鋰離子電池,有機會飛上宇宙

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 08 日 18:01 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


全新的鋰電池有機會轟動武林、成為「升級版」的革命性技術嗎?最近美國克萊姆森大學(Clemson University)與荷蘭台夫特理工大學(TU Delft)科學家分別研發出更輕便、充電速度更快的電池,為將下一代鋰電池開闢全新道路。

目前鋰離子電池主要採用的石墨陽極,在儲電容量已快觸頂的情況下,勢必要再尋找新方案以滿足人們用電需求,對此科學家開始嘗試矽、鋰等材料,它們可以儲存更多的電荷,代表未來若研發成功,能以過去相同的電池重量,儲存更多的電力。

不過不論是矽陽極還是鋰陽極,這些材料在充電時會膨脹,放電時又會恢復正常大小,折騰下來陽極材料的耐用性都會大打折扣,因此現在的電池還是以石墨、碳為主。

對此克萊姆森大學團隊提出的方案是用「奈米顆粒」提高電池穩定性與延長壽命,透過奈米碳管紙(Buckypaper,BP,也被稱為巴克紙),把矽奈米粒子當作巴克紙「熱壓吐司」的餡料, Podila 表示,就算裡面的矽粒子破裂,它還是好好地被夾在裡面。

(Source:克萊姆森大學

研究團隊表示,片片相連的奈米碳管讓矽奈米粒子彼此電連接(electrically connected),形成準三維結構,經過 500 次充放電循環依然穩固。這項技術不僅可以提高電池容量,還可以用更大的電流幫電池充電,進而縮短充電時間。

其中克萊姆森大學所研發的矽陽極鋰電池,未來甚至有機會前進宇宙,為火星探測器供電。克萊姆森大學物理天文助理教授波 Ramakrishna Podila 表示,目前大部分衛星供電來源為太陽能板,但是若是人造衛星或探測器進入陰影時,這時候就需要儲能系統來支援供電,科學家也希望盡可能降低電池的體重,不然電池愈重、衛星的重量也會增加,成本也隨之攀高。

美國國家航太局(NASA)也有贊助這項研究,克萊姆森大學負責人和 NASA 研究團隊表示,矽陽極是鋰離子電池研究界的「聖杯」,很快地,矽陽極就會進入電動車領域,下個目標便是與產業合作,讓產品跨出實驗室大門、進入市場。

鋰陽極潛力備受看好

而最近鋰電池另一項電池「聖杯」也有所進展,荷蘭台夫特理工大學(TU Delft)團隊也克服鋰陽極電池的可靠度問題,他們研發全新的電解質,在充放電過程中會形成特殊的保護層,讓電池可以在一次又一次的充電中,提高穩定性。

目前的商業鋰電池內的電解質都由碳和氧的化學物質組成,雖然說確實讓電池保持高效特性與長壽,但 TU Delft 團隊研製的酰胺電解質,還能用來防止腐蝕,研究負責人 Marnix Wagemaker,酰胺化學反應速度快,因此保護層形成速度快。

研究在實驗測試也發現,新鋰陽極電池平均庫倫效率高,也因為電解質形成的固態界面,有出色的電池容量保有率,可加速離子之間的電導率和穩定性。

目前研究下一步是最佳化電池,並加以研究如何改進其他零件,團隊也對這項研究寄予厚望,Wagemaker 表示,鋰陽極電池原型很快就會登場,預估其能量密度是過去的兩倍到三倍,而它的的壽命雖然可能沒辦法高達數千次,但充放電循環絕對能達到好幾百次。

(首圖來源:shutterstock)