美國伊利諾伊大學(University of Illinois;UI)的研究人員發現一種可將自癒技術應用在鋰離子電池的方法,可望打造出可靠且更長效的電池。

研究人員開發出一種新的電池,電池的負電側使用矽奈米顆粒複合材料,並以一種新穎的方式將複合材料結合在一起——這是含矽的電池固有的問題。

伊利諾伊大學材料科學與工程教授Nancy Sottos以及航空工程教授Scott White帶領研究團隊進行這項研究,並在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)期刊上發表相關研究報告。

20170518_battery_NT02P1 美國伊利諾伊大學材料科學與工程教授Nancy Sottos與航空工程教授Scott White帶領研究團隊,開發出可用於電池陽極的矽奈米顆粒複合材料,可望用於打造更可靠且長效的池 (來源:University of Illinois)

「對於自癒材料的研究來說,這項研究工作相當新,因為它能應用在儲存能量的材料上,」White說,「這是一種完全不同類型的目標。除了恢復結構性能,還具有癒合儲存能量的能力。」

為可攜式裝置供電或電動車用的鋰離子電池內部,帶負電荷的電極或陽極通常是由石墨顆粒複合材料製造而成。這些電池的使用成效不錯,但需要很長時間才能上電,而且隨著時間的進展,充電持續時間就會變得無法和新電池時一樣了。

Sottos說:「矽具有相當高的容量,而如此的高容量讓你得以從電池中取得更多能源,不過,由於電池的週期及其自粉化作用,也會經歷大量的膨脹過程。」

過去的研究發現,由奈米尺寸的矽顆粒製造成的電池陽極不太可能分解,而是存在其他問題。

White說:「電池持續地進行充放電,經過一次、二次、三次到最終容量損耗,這是因為矽顆粒開始脫離粘合劑。」

為了解決這個問題,研究團隊藉由賦予其自行修復的能力,進一步完善了矽陽極。這種自癒現象是經由矽奈米顆粒和聚合物粘合劑之間連接的可逆化學鍵合而發生的。

「這種動態重新鍵合過程基本上是將矽顆粒和聚合物粘合劑保存在一起,大幅改善了電極的長期性能,」Sottos說。

研究人員針對未使用可逆化學鍵合的新電池進行測試,發現即使是經過400次充電週期後仍能保持80%的初始容量。

這些電池還具有更高的能量密度,這意味著它們比相同尺寸的石墨-陽極電池儲存更多的電力。

「能量密度越高越好。另一個選擇是增加更多的電池,但這也增加了許多重量,特別是電動車正面臨這樣的問題,」Sottos說。

研究人員表示,未來的研究將包括研究這種自癒技術如何與固態電池搭配運作。近來多起由於鋰離子電池液體引發自燃甚至爆炸的意外,正敦促著科學家們朝此方向進行研究。

這項研究計劃由美國能源部(DoE)科學、基礎能源科學辦公室資助的先進能源研究中心——電化學能源科學中心(Center for Electrochemical Energy Science)贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Self-healing tech charges up performance for silicon-containing battery anodes,by Lois E Yoksoulian, physical science editor, University of Illinois)