美科學家為陰極開發保護層，鋰電池安全性再升級

作者 Daisy Chuang | 發布日期 2019 年 05 月 17 日

首圖藍色部分為陰極塗層示意圖，來源：阿貢國家實驗室

為了讓鋰離子電池性能更上一層樓，科學家不斷推出新防護技術，最近美國能源部阿貢國家實驗室便為鋰電池陰極研製出全新保護層，新陰極塗層不僅能有效避免陰極跟電解質起化學反應，還可以阻止陰極釋放氧氣。

鋰電池為電動車與 3C 產品的心臟，具有高能量密度、工作溫度範圍廣、無記憶效應等優勢，可說是儲能界的領頭羊技術，然而其缺點也不容忽視，陰極材料不耐熱、液態電解質易起火燃燒、電池循環壽命短等都是科學家待攻克的挑戰。

對此，阿貢國家實驗室決定為鋰電池陰極開發防護罩，團隊首先採用實驗室獨門鎳錳鈷（NMC）陰極材料，之後再用高導電聚合物聚二氧乙基噻吩（PEDOT）進行封裝。當鎳錳鈷電池開始充放電時，PEDOT 就會變成陰極的保護塗層，有如防護罩地避免陰極跟電解質相互反應。

這聽起來跟過去的陰極塗層技術沒有什麼差別，但團隊指出，傳統塗層的保護範圍僅限陰極材料表面，因此陰極材料顆粒內部容易裂開，而 PEDOT 塗層能滲進陰極材料內部，大幅提高保護效果。

除此之外，新型塗層還有許多增益效果，其一，PEDOT 塗層可將陰極材料轉換成尖晶石型（spinel），該三維架構能改善電極上的離子流動，從而降低內部電阻並提高電流承載能力，且尖晶石還具有熱穩定性高優點，有助提高電池的安全性。

PEDOT 塗層第二個優點則是能防止陰極釋放氧氣。鋰電池存有許多危險因子，其中陰極材料在高溫與高電壓下易分解並釋放氧氣，偏偏電池電解質又容易起火燃燒，這便提高電池的爆炸風險，而阿貢國家實驗室新研究或許可緩解此難題。

阿貢國家實驗室電池科學家 Khalil Amine 表示，PEDOT 塗層能讓鋰離子與電子順利通過並有效提高結構穩定性，同時還能避免陰極釋放氧氣。

團隊認為，未來隨著新型塗層不斷改良與最佳化，電池科學家可能會逐步將 PEDOT 塗層應用在高鎳錳鈷電池中，這樣一來就可提高電池的工作電壓，進而提升電力輸出，亦或是延長電池循環壽命。