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科学家们一直在努力扩大锂离子电池的存储容量,以使石墨阳极变成锂或硅材料,这样即使打开手机电动车,也不必担心与充电站的距离。现在,美国科学家发现了另一种效率也很好的替代材料磷。(约翰f肯尼迪)。
锂电池的阴极(正极)是由锂和钴、镍、锰等过度金属组成,阳极(负极)材料则是石墨、铜制成,锂离子会在两极间与电解质之中来回移动,其中阳极材料影响电池容量甚巨,虽然石墨储电稳定性与耐用性高,经过 1,000 次充放电循环也不会影响电池性能,只可惜其理论储电容量低,愈来愈难满足现代人的需求。
目前有不少科学家为了提高电池容量寄望于锂、硅材料,认为这些材料可以将储电容量拉高 2 倍,能量密度也能显著提升,以实验结果来看,表现也不错,不过除此之外还有没有更多选择?最近美国阿贡国家实验室发现,磷的应用潜力高,有着比石墨更高的储电容量,跟硅一样,理论储电容量是石墨的 10 倍。
只是磷跟硅、锂材料一样,在电池充电过程中会「膨胀」,有损材料的耐用性与寿命,不过团队认为,这仍是一项值得挑战的研究,美国阿贡国家实验室化学家 Gui-Liang Xu 表示,磷的能量吸附能力高,实际测试后,也发现磷阳极的初使库伦效率超过 90%,代表阳极跟电解质没有发生太多副反应。
团队将黑磷和导电碳磨成微米级颗粒,制成全新的复合阳极。最终实验结果也符合团队期待,研究指出,新型阳极的初始库伦效率高达 91%,比容量(容量密度)约为 2,500 mAh,随后科学家也把全新阳极实际装设在镍钴锰阴极锂电池中。
其中黑磷是白磷在高温高压下转化而成,是磷的同素异形体中,密度最大、热力学最稳定以及性质最不活泼的一种,有着像石墨一样的片状结构跟导电性,也是被受期待的新兴二维半导体材料,可以应用在晶体管、光电设备等。
黑磷性能稳定应用范围又广泛,因此团队在考量金钱与商业化成本后,还有测试虽然更便宜、但导电性较低的红磷,只不过阿贡国家实验室并没有公布红磷阳极的实验结果,仅表示有具备稳定性优势、高出使库伦效率等。
目前团队下一个目标将是研究大规模制造红色磷阳极,希望能进行产学研合作,扩大材料制造规模,使得最后的商业化进展顺利。
Source:科技新报