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科技新知

矽陽極有助提升電池容量 20%,新型鋰電池挑戰今年量產

  • 發佈日期:2019/1/8
  • 資料來源:科技新報
  • 點閱次數:424次

發布日期 2019 年 01 月 08 日 7:30 | 作者 Daisy Chuang | 

新型矽電極

矽可說是大幅提升鋰電池容量的陽極好幫手,理論上可增加 70% 的容量,只不過矽在充放電時體積變化過大,充電一次矽顆粒就會碎成粉末,因此如今電池陽極仍以石墨為主。但目前美國 Sila Nanotechnologies 已提出一項解決方案,新型矽電極可提升 20% 電池容量,更有望在今(2019)年投入商業化生產。

鋰離子電池是消費型電子產品主要應用的電池,更日益成為電動車、再生能源儲能應用首選,其運作原理是讓鋰離子在兩極之間穿梭產生電流,鋰離子首先會從陰極出發,經過中間的電解質抵達陽極,最後再折返,基本上可以將陽極當成鋰離子儲存槽,若想要提升電池容量,陽極負擔責任重大責任。

目前鋰離子電池陽極多由石墨等碳材料組成,這是因為金屬化合物存有不穩定與電導性差等缺點,而矽雖然與鋰離子結合後可話化身成「Li15Si4」、一個矽原子約可以附著 4 個鋰離子,代表電池能以少量陽極材料儲存更多的鋰離子,但不幸的是,矽在充電時體積會膨脹 300%,放電時又會縮小恢復正常,充電一次矽材料就會不堪負荷碎成粉狀,最多只用到 10% 的矽。

而這一狀況有望在 2019 年改變,美國加州新創公司 Sila Nanotechnologies 已經開發出「插入式解決方案(drop-in solution)」,打造出石墨─矽奈米複合材料,運用多孔支架為矽挪出可膨脹與縮小的空間,解決膨脹問題之餘,也能維持陽極外部尺寸和形狀,最終有望將電池容量提高 20-40%。

公司共同創辦人與喬治亞理工學院材料學教授 Gleb Yushin 表示,未來團隊可將陽極厚度減少 67%,充電速度提高 9 倍。除此之外也能抑制電極形成樹枝狀鋰晶枝,降低電池短路與爆炸的機率,進一步提升鋰離子電池安全性。目前該電池充放電循環次數更已達到 400-1,000 次,盼可在今年投入商業生產。

該公司也不是孤身一人進行研究,Sila Nanotechnologies 除了與車廠 BMW 攜手之外,也有跟製造蘋果、三星手機電池的 Amperex Technology 合作,BMW 發言人先前表示,公司將在 2023 年採用 Sila Nanotechnologies 的新型電池,盼可將電池容量提高 10-15%。

隨著電動車與再生能源崛起,電池廠商與科學家皆希望能提升鋰離子電池的效能,藉此擴大鋰電池的發展,像是挪威能源技術研究所(IFE)也看好矽極大的潛力,將矽奈米粒子與未命名材料相結合,使矽顆粒能承受較大的體積變化,並提升電池容量 3-5 倍。假如這些科學家成功將技術推向商業化,未來人們也就不用頻繁幫手機充電、電動車的續航里程也可再度拉長。

To Boost Lithium-Ion Battery Capacity by up to 70%, Add Silicon
Sila Nanotechnologies raises $70 million for next-generation battery development
(首圖為示意圖,來源:Sila Nanotechnologies)
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