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石墨烯是鋰離子電池電極的救星

關鍵字:鋰離子電池石墨烯
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科技產業資訊室 (iKnow) - Chen & Tzu-Ying 發表於 2015年8月5日
近40多年來,鋰離子電池的進步非常緩慢,尤其是在提升能量密度(energy density)和增快充放電速率(charge/discharge rate)這兩個重要指標,始終進展不大。可是隨著半導體發展的一日千里,抓住消費者眼球的電子產品推陳出新,造成了電子產品性能和電池效能之間的落差,且隨時間不斷演進,差距越來越大。

鋰離子電池的構造與重要技術瓶頸
鋰電池的構造主要為:正極活性物質、負極活性物質、隔離膜、電解質等三大部分,而鋰離子電池最重要的參數是能量密度,攸關電池能儲存/釋放的電量多寡,其單位為: Wh/kg 或 Wh/L (單位體積/容量,能儲存/釋放的電量),要提升鋰離子電池的能量密度,有以下方法:
  1. 提高正極活性物質的比例:鋰離子做為能量載體,鋰離子才能穿越隔離膜到負極參與反應,可是鋰離子在正極的比例小於1%,其餘都是鋰氧化物,因此必須提高正極活性物質的比例。
  2. 提高負極活性物質的比例:為了因應正極鋰離子濃度提高的情況,以避免不可逆的化學反應反造成能量密度衰減。
  3. 提高正極材料的反應活性:增加正極鋰離子參與負極化學反應的比例,然而正極活性物質的比例有上限,因此研究新的正極材料是提高材料反應活性的方法。
  4. 提高負極材料的反應活性:這不是主要的解決方法,但可解少負極材料的質量,負極多為石墨,可將其改為新的負極材料或奈米碳管等以提升活反應效率。
  5. 其他部分的減重以獲提升效率。

至於,充放電速率的提升方法為:
  1. 提高正負極離子的擴散能力:正負極活性材料都盡量薄,且在活性物質的內部具有足夠且均勻的孔隙,以利離子通過(如圖一所示)。
  2. 提高電解質離子導電率:以加快鋰離子在正負極之間往來的速度。
  3. 降低電池內阻
圖一、正負極活性材料內部具有足夠且均勻的孔隙,以利離子通過 [5]
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石墨烯的材料特性與鋰離子電池電極的關係
而石墨烯2004年被證明可以單獨存在,為Sp2以蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)形成的單層二维晶体,由碳原子和其共價鍵所形成的原子網格,其結構為一種平面單層緊密打包成一個二維(2D)蜂窩晶格的碳原子,是所有其他維度的石墨材料的基本單元,可以形成成零維(0D)的富勒烯、捲成了一維(1D)的奈米碳管、堆疊成三維(3D)的石墨;同時石墨烯是目前世界上最薄、最堅硬的奈米材料,在常溫電子遷移率高達200000 cm2/V•s ,高於奈米碳管或矽晶體(monocrystalline silicon),且電阻率比銅或銀更低(約10-6 Ω•cm是目前電阻率最小的材料),是目前世界上最薄的材料厚度僅有0.334 nm,機械強度高(125Gpa)、拉伸模數大(1.1Gpa),由於這些性質,切中上述提升鋰離子電池能量密度方法中的提高正、負極材料的反應活性兩點,和加快充放電速率中待解決的提高正負極離子的擴散能力、降低電池的內阻兩點。

石墨烯做為正、負極添加劑,其高電子遷移率和電阻值能降低阻抗、提高活性物質的比例;其超薄的厚度能加快鋰離子在正負極之間的往返速度;石墨烯具有足夠且均勻的孔隙除了能提升充放電速率外,亦能提供電極在充放電時體積伸縮變化的緩衝空間,避免電極損壞,圖二和圖三為Nature Communications 在2015年7月17日所發表的和氮硫摻雜塑形成海綿結構石墨烯改進鋰-硫電池電極的論文,圖二表示此電極結構極輕,圖三顯示了其均勻的孔隙能改善上述問題。且鋰離子電池的負極多為碳構成,因此石墨烯除了負極添加劑外,也能直接當成鋰離子電池的負極材料。


石墨烯特殊的材料性質,科學家和工程師們期待能突破鋰離子電池領域多年的瓶頸,相關的研究如火如荼的進行中,發表成果也算豐碩[3], [4]。未來石墨烯提煉技術與成本降低後,石墨烯材料應用在商用鋰離子電池電極中,在未來勢必指日可待。(1282字;圖3)
圖二、石墨烯所製成的正極電極非常輕 [4]
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圖三、石墨烯所製成的正極電極具有均勻的孔隙 [4]
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參考資料
[2] 廖英凱,” 輕薄的石墨烯,超級電容的問世關鍵”,泛科學,2015/03/16, http://pansci.tw/archives/76889
[3] “三星的鋰電池能量體積密度達到700~952Wh/L”,日經技術在線,5015/07/17,https://big5.nikkeibp.com.cn/news/nano/75006-201507161235.html
[4] Guangmin Zhou, Eunsu Paek, Gyeong S. Hwang & Arumugam Manthiram, “Long-life Li/polysulphide batteries with high sulphur loading enabled by lightweight three-dimensional nitrogen/sulphur-codoped graphene sponge”, Nature Communication, 2015/07/17
[5] 中國儲能網新聞中心,”鋰離子電池兩大性能指標:能量密度與充放電倍率”,中國儲能網,2015/07/24,http://www.escn.com.cn/news/show-254245.html




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