美國加州大學爾灣分校(University of California, Irvine;UCI)的研究人員在進行研究中意外發現,基於奈米線的電池材料能夠重複充電數十萬次,可望實現幾乎無需更換的電池。

研究人員在進行基於奈米線的電荷儲存機制研究時發現,其中所涉及的「線」(wire)是沈積的結構(僅以細長奈米線形式呈現)。根據研究人員表示,這是一種純金的奈米線,表面能以二氧化錳(MnO 2)塗覆或鑲嵌護套。該元件基本上是一種電容器,可在交錯的奈米線陣列之間形成電荷儲存電容,並懸浮於電解介質中。

以相同的材料來看,使用奈米線可提供較薄膜更高的電荷儲存。因為奈米線比人類的髮絲更細數千倍、而且具有高導電性,並具有較大表面積可供電子儲存與傳輸。純金奈米線約240nm寬與35nm厚;外殼厚度約在143-300nm之間。根據先前的研究工作發現,這些細絲極其脆弱,不易妥善保持用於重複放電、充電或充放電循環。因此,一般的鋰離子電池容易膨脹、變得脆弱,最後導致破裂。

UCI研究人員在二氧化錳外殼塗覆純金奈米線,並將該組裝包裹在以樹脂玻璃(Plexiglas)狀凝膠製造的電解質中,從而解決了這個問題。這種凝膠是聚酸甲酯(PMMA)與過氯酸鋰(LiClO 4:形成鋰離子電池的鋰離子來源)的組合,十分可靠且不易故障。

主導這項研究的——UCI博士候選人Mya Le Thai在三個月內循環測試電極達20萬次,未檢測到任何電量或電力損耗,也無損於任何奈米線。這項研究結果已經發表在美國化學學會(American Chemical Society)出版的最新一期《能源快報》(Energy Letters)中。

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UC-Irvine博士候選人Mya Le Thai手握可讓鋰離子電池反覆充電幾十萬次的奈米線材料
(來源:UC Irvine)

UCI化學系主任Reginald Penner表示,「Mya一開始只是抱著好玩的心態,將極薄的凝膠完整塗覆在表面上,並開始進行充放電。她發現只需在奈米線材料上塗覆這種凝膠,就能重複充放電數十萬次,而不至於損耗任何容量。」

他並補充說,「這真的很厲害。因為電池通常最多經過5,000、6,000或7,000次充放電週期後就會整個壞掉而無法使用。」UCI研究人員所使用的結構特別採用高長寬比的奈米線,以便揭露或放大任何可能發生的故障效應:然而,卻始終未曾出現。

研究人員認為,這種凝膠將會塑化電池中的金屬氧化物,並賦予靈活性,以防止破裂。

「該塗層電極能更有效保持原有形狀,使其成為一個更可靠的選擇,」Thai說,「這項研究證實奈米線電池電極具有更長的使用壽命,讓我們得以真正實現這種長效電池。」

這項研究並與馬里蘭大學(University of Maryland)先進能源研究中心(Energy Frontier Research Center)電能儲存奈米結構(NEES)計劃合作,同時獲得了美國能源部(DoE)基礎能源科學部的資金贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Gel-Coated Nanowires Yield Batteries With Indefinite Cycle Life,by Graham Prophet)