黑磷入電池材料 快速充電容量增
【記者鍾晨沅綜合報導】科技技術進展與環保意識高漲,已讓電動車成為近年來汽車業的發展趨勢,而電動車的心臟「電池」也一直是科學家以及廠商想精進的重點。淡江大學物理學系副教授莊程豪帶領團隊,研究黑磷混和物鋰電池,研究成果提升鋰電池的高充放電速度和容量,論文近日於美國頂尖期刊《Science》發表。黑磷是磷的同素異形體中,密度最大、熱力學最穩定,以及性質最不活潑的一種,具有像石墨的片狀結構和導電性。為了找到能夠取代目前以石墨為主的電池負極材料,團隊經三年時間嘗試,發現黑磷與石墨合成的負極材料,最符合高容量與高充電效率的需求。並且,團隊以聚苯胺(註1)將此負極混合物包覆,以穩定其與鋰離子的化合作用,提升電池效用。註1:團隊使用膠狀聚苯胺當作包覆外衣,避免負極與外界電解液形成阻礙層。 團隊經三年時間嘗試與計算,發現黑磷與石墨合成的負極材料,最符合高容量與高充電效率的需求。 圖/莊程豪提供莊程豪表示,鋰電池充放電過程是讓鋰離子與電極材料進行化學反應,因此電極材料對鋰離Fj4xcu子的傳導能力決定了充電速度。另一方面,在單位質量或體積中,電極可容納多少鋰離子則決定充電容量,而黑磷具特殊層狀結構,有很強的離子傳導能力和高理論容量(註2),可滿足快充電池需求。註2:一般石墨理論電容量為372mAh/g,而黑磷混和物為2596mAh/g,後者約為前者七倍。 黑磷特殊的層狀結構,可增加鋰離子於電池中的儲存量,與石墨合成可提升蓄電量與充放電效率。 圖/莊程豪提供比較現有技術,黑磷混合物製造簡單且穩定性高,可望大幅提升產量。而現今電池技術競爭激烈,瑞典跨國公司奇異布朗.博韋里(Asea Brown Boveri, ABB)推出充電八分鐘續航力達200公里技術;以色列新創公司儲點(StoreDot)則研發五分鐘即可續航480公里的快充電池。莊程豪表示,以數據來看,團隊研發的電池可於兩分鐘內完成超快速充電,讓電池具備560公里的移動距離。而他們的成功關鍵在於混和黑磷與石墨層狀物,不僅能取代單一負極石墨片,還兼顧高容量和快速充電的優點。團隊亦揭開黑磷電池高效能的謎底,畢業於交通大學加速器光源科技應用學位學程博士班的盧英睿解釋,他們借助國家同步輻射中心技術,利用同步輻射產生的X光,觀測電池在充放電過程中,磷元素的電子結構變化。經過不斷實驗,成功觀測到黑磷氧化還原的動態變化,盧英睿說:「了解這些基礎科學的相關問題,是我們得以設計成功的關鍵。」 團隊利用同步輻射產生的X光,成功觀測到黑磷氧化還原的動態變化,揭開黑磷電池高效能的謎底。 圖/莊程豪提供電動車Tesla Model 3車主楊泰民表示,他較在乎快速充電長久下來對電池的影響,「目前充電速度已可接受,且保固也完整。」對於新技術,他強調「安全會是第一考量。」而在新技術基礎上,莊程豪補充,團隊期許找到最合適的正極材料和電解液,並設計出電池內部的最佳配置,同時關注電池散熱管理和安全性疑慮。