提升高容量鋰離子電池穩定性，有望將手機續航提升 2 倍
作者 EnergyTrend | 發布日期 2018 年 06 月 01 日
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3C 產品與電動車需求與日俱增，因此開發高容量電池需求刻不容緩，而美國西北大學（NU）研究發現可提升高容量鋰離子電池穩定性的材料，這一突破可望將手機與電動車續航電力提升到兩倍以上。
西北大學工程與應用科學學院材料工程教授 Christopher Wolverton 表示，鋰錳氧化物電極容量是所有過渡金屬氧化物電極最高的一種，其容量是當今手機與筆記型電腦電池的兩倍，穩定這類高容量特性可讓未來車用鋰離子電池性能突飛猛進。
在鋰電池中，鋰離子會在陰極與陽極之間不斷往返，其中陰極由鋰離子、過渡金屬和氧化物製成，當鋰離子抵達陰極並要返回陽極時，鈷等過渡金屬就會進行儲存與釋放電能，而陰極容量則會受到過渡金屬中的電子數限制。
氧氣為電池高容量關鍵
法國研究團隊在 2016 年首次提出高容量鋰──二氧化錳電池，利用較便宜的錳金屬取代傳統又昂貴的鈷，研發出成本更低、容量更高的電極。然而該電池雖然擁有高容量電極，但是並不持久，電池性能在前兩次充放電循環就顯著下降，因此研究人員認為該電池尚不能商業化，他們也無法確切得知為何電極容量比較高與快速退化因素。
Wolverton 團隊詳細研究陰極原子圖（atom picture）後，發現陰極高容量之謎──材料強制讓氧氣參與反應，因此電極除了過渡金屬之外，還利用氧氣來儲存電能和放電，如此一來電池便具有更高容量和可利用更多鋰離子。
得出電極高容量背後原因之後，團隊開始研究如何穩定電池，團隊成員兼論文第一作者 Zhenpeng Yao 指出，研究憑藉各種充電知識與高通量（high-throughput）運算來分析掃描元素週期表，用新方法來合成化合物與潛力元素，並找出提升電池性能關鍵。
▲ 陰極結構示意圖，其中鋰為紅色、氧與錳是綠色跟紫色，鉻與釩則分別是深藍色與淺藍色。（Source：西北大學）
研究運算結果直指鉻和釩金屬，團隊則認為把該元素與鋰錳氧化物混合後，就能產生穩定化合物，進而維持電極高容量。未來 Wolverton 團隊將會進一步測試這些理論化合物。目前該研究已發表在《Science Advances》。
