聲稱設計「近乎完美」,鋰硫電池隔離膜獲突破

作者 | 發布日期 2022 年 01 月 18 日 10:04 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


雖然只聞其聲不見其人,但由於鋰硫電池理論儲電容量是鋰離子電池的 5 倍以上,科學家們還是持續關注並期待它的發展,現在美國密西根大學研發出全新的鋰硫電池隔離膜,認為這項設計可以說是「近乎完美」,快充狀態下充放電次數仍可以破千。

電池壽命跟電池充放電次數有關,隨著使用次數增加,電池容量會正常衰減,通常經過 500 次的充放電循環後,電池容量仍可維持在標準的 80% 以上,不過正在開發中的鋰硫電池,使用壽命可沒有那麼長。

團隊負責人 Nicholas Kotov 表示,過去許多研究稱鋰硫電池充放電次數達好幾百次,但這個成就是從容電、充電率、韌性與安全性換來的,因此現在要挑戰製造出滿足成本等條件,且讓充放電循環從 10 增加到數百。

密西根大學團隊主要從電池隔離膜著手,其中鋰硫電池結構跟鋰離子電池相似,主要由兩個電極,電極之間的電解質與隔離膜組成,離子首先會從陰極(正極)出發,經過電解質與隔離膜最後抵達陽極(負極),另一方面,也都會遇到鋰晶枝問題,且化學反應產生的副產物多硫化物容易回到鋰電極,阻礙鋰離子移動,進一步降低電池的充電容量以及壽命。

(Source:密西根大學

為此團隊改用芳香聚醯胺(芳綸)奈米纖維,把這種類似 Kevlar 奈米級版本的纖維塑造成電池結構網路,最後再注入電解質凝膠,希望能防止電極生長晶枝,且團隊也打造出許多微小、添加些許電荷的仿生通道,讓帶正電的鋰離子可以自由流動。

論文第一作者 Ahmet Emre 一言以蔽之,就是為鋰離子建置一條高速公路,並設下檢查站讓多硫化物沒辦法通過。

 

(Source:密西根大學

Kotov 認為離子選擇電池設計成就近乎完美的鋰硫電池,指出該設備的效率接近理論極限,容量更是標準鋰離子電池的 5 倍,如果套用到當今的快充環境,充放電次數也可以達到 1,000 次,也有著長達十年的使用壽命。

以電池製程方面來說,硫的地殼含量也比鋰離子電池的鈷還要多,較不會出現資源枯竭問題;也可以從汰換的防彈背心獲得芳綸,讓製程更加環保。Kotov 認為,電池的仿生工程同時整合分子和奈米尺度,並首次整合離子選擇隔離膜與結構韌性,才得以應對鋰硫電池的各種挑戰。

(首圖來源:shutterstock)

關鍵字: ,