神奇半導體黑磷也是鋰陽極潛力材料，電池儲電量有望再提高

作者 Daisy Chuang | 發布日期 2020 年 08 月 06 日

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科學家一直以來都想要擴大鋰離子電池的儲電容量，透過將石墨陽極換成鋰或著是矽材，讓人們不用擔心手機電量、開著電動車也不必顧慮與充電站的距離，而現在美國科學家發現另一種效率也不錯的替代材料：磷。

鋰電池的陰極（正極）是由鋰和鈷、鎳、錳等過度金屬組成，陽極（負極）材料則是石墨、銅製成，鋰離子會在兩極間與電解質之中來回移動，其中陽極材料影響電池容量甚鉅，雖然石墨儲電穩定性與耐用性高，經過 1,000 次充放電循環也不會影響電池性能，只可惜其理論儲電容量低，愈來愈難滿足現代人的需求。

目前有不少科學家為了提高電池容量寄望於鋰、矽材料，認為這些材料可以將儲電容量拉高 2 倍，能量密度也能顯著提升，以實驗結果來看，表現也不錯，不過除此之外還有沒有更多選擇？最近美國阿貢國家實驗室發現，磷的應用潛力高，有著比石墨更高的儲電容量，跟矽一樣，理論儲電容量是石墨的 10 倍。

只是磷跟矽、鋰材料一樣，在電池充電過程中會「膨脹」，有損材料的耐用性與壽命，不過團隊認為，這仍是一項值得挑戰的研究，美國阿貢國家實驗室化學家 Gui-Liang Xu 表示，磷的能量吸附能力高，實際測試後，也發現磷陽極的初使庫倫效率超過 90%，代表陽極跟電解質沒有發生太多副反應。

團隊將黑磷和導電碳磨成微米級顆粒，製成全新的複合陽極。最終實驗結果也符合團隊期待，研究指出，新型陽極的初始庫倫效率高達 91%，比容量（容量密度）約為 2,500 mAh，隨後科學家也把全新陽極實際裝設在鎳鈷錳陰極鋰電池中。

其中黑磷是白磷在高溫高壓下轉化而成，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，有著像石墨一樣的片狀結構跟導電性，也是被受期待的新興二維半導體材料，可以應用在電晶體、光電設備等。

黑磷性能穩定應用範圍又廣泛，因此團隊在考量金錢與商業化成本後，還有測試雖然更便宜、但導電性較低的紅磷，只不過阿貢國家實驗室並沒有公布紅磷陽極的實驗結果，僅表示有具備穩定性優勢、高出使庫倫效率等。

目前團隊下一個目標將是研究大規模製造紅色磷陽極，希望能進行產學研合作，擴大材料製造規模，使得最後的商業化進展順利。