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[Mar 01, 2011]物理: 具有四十倍的充電速率的「奈米勺」電池

編輯 Po-Chun 報導 (http://www.sciscape.org/editors.php?aid=pchsu918#pchsu918)

Rensselaer Polytechnic Institute的研究小組利用碳─鋁─矽「奈米勺」(nanoscoop)結構,分散負極材料所受應力,大幅提升鋰離子電池的容量與充電速度。

鋰離子電池具有高能量密度的優點,它重量輕且能儲存大量的電能的特性,現已廣泛使用在各種消費性電子產品及電動車中。一般市售的鋰離子電池使用石墨作為負極,正極則是過渡金屬與鋰的氧化物。在充電的過程中,鋰離子從正極從電池內部經由電解質及隔膜,來到負極嵌入石墨形成LiC6。

由於石墨具有層狀結構,因此當鋰離子進入層與層的間隙中,將使石墨體積膨脹大約10%。如果充電速率過快,效應太過劇烈,將導致石墨的剝落,甚而短路爆炸。一般市售電池之所以充電速率緩慢,主要就是為了避免這種危險。

另一種負極材料是矽。矽與鋰的化合物具有極高的比電容(specific capacity),理論值為4200 mAh/g,是石墨(370 mAh/g)的十倍之高。但是矽與鋰的化合物的體積膨脹率也遠高於石墨,最高可達到400%。科學家們希望藉由奈米製程解決矽體積膨脹的問題,如此便可以使用矽電極以提升鋰離子電池的儲電量。

Nikhil Koratkar的研究小組,成功製造出碳─鋁─矽的奈米勺(nanoscoop),利用位於中間的鋁質夾層,分散將鋰嵌入矽時產生的應變(strain)。這樣的電極不僅具有矽的高比電容,也不會在高充電速率的情況下因為體積膨脹而使矽電極崩解。奈米勺的結構看起來像甜筒(碳)上面有一勺冰淇淋(矽),鋁層則在二者之間。鋰離子嵌入鋁之後,造成的體積膨脹率為94%,介於碳及矽之間,故具有減少應變的作用。另外,由於碳錐之間存在空隙,膨脹過後的矽並不會對彼此有嚴重的擠壓。

奈米勺電極以一般市售鋰離子電池充電速率的40倍充放電100次,仍可以維持412 mAh/g的比電容以及100 kW/kg的能量密度。然而,這樣的比電容以矽電極材料而言仍有改進空間。Nikhil Koratkar表示,增加奈米勺的高度,或者嘗試堆疊其他中間層材料,例如銻 (體積變化 147%) 或是砷(體積變化201%),可望更進一步提升效能。

原始論文:
R. Krishnan, T.M. Lu, and N. Koratkar, Nano Lett., 2011, 11 (2), pp 377–384

參考來源:
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