電池將全面升級?麻省理工學院發表最新電極設計

鋰是目前科技產品主要的電池材料,使用純鋰金屬作為電池陽極將可以增加電池每磅的電力以及延長使用壽命。

大多數的鋰電池電解液是結合凝膠體和聚合物的混合型電池,但高揮發性的電解質有爆炸的風險。為了開發安全的全固態電池,新電極設計也因此誕生,來自麻省理工學院能源科學的權威 Ju Li 實驗室最新發表:新的電極結構設計可以讓固態電池可以保持穩定供電。

過去也有許多固態電池的研究,但最大的問題是電池在充放電的過程,金屬收縮膨脹的變化難以與固體電解質維持接觸,造成固態電解質的破裂與分離,且過程不穩定。以往的嘗試都是改變固體電解質的材料,但這次 Ju Li 的研究室利用設計,運用兩個固體材料:混合離電導電體(Mixed ionic-electronic conductors ,簡稱MIEC)和電鋰離絕緣體 (Electron and Li-ion insulators ,簡稱ELI)來維持穩定度。

研究團隊設計出六邊形的 MIEC 奈米管陣列蜂窩結構,在裡面注入固態鋰金屬作為電池的一個電極,但每根管內都有留有一定的空間,所以當鋰在充電過程膨脹時,即使它是固態晶體結構,也會像液體般同步流入管內,就像是汽車的活塞裝置。另一種材料 ELI 則是用來當 MIEC 管壁和固體電解質層之間的粘合劑。

將鋰限制在蜂窩結構內不僅可以減少充電時膨脹的壓力,也不會改變電極的大小。MIEC 的化學性質穩定,因此整個固體電池可以保持供電的穩定性,目前實驗證實 100 次充放電循環,也不會產生任何固體破裂。

鋰金屬直徑為100nm的碳管中鍍覆和剝離 ,由研究人員提供

新的設計讓電池在相同的電力容量下,陽極重量減少四分之三,如果再與其他輕型陰極做結合,可以大幅度減少鋰電池的重量。未來應用於科技產品時就可以更輕量化產品,維持高時長的續電力。目前研究人員們也積極地研究輕型陰極中,相信不久後就進入新型電池的時代。

資料來源:MIT
圖片來源:Pexels

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