在鋰電池電極覆塗奈米碳管，有望抑制晶枝生成提升安全性

作者 EnergyTrend | 發布日期 2018 年 10 月 30 日

圖片來源：RICE UNIVERSITY

近年來為了讓鋰離子電池在眾多儲能後起之秀中維持優勢，科學家不斷利用新興技術來增強鋰離子電池的安全性與儲存容量，而現在美國萊斯大學（Rice University）透過在電池陽極覆塗奈米碳管薄膜，有望解決電極生長鋰晶枝、電池易自燃的安全隱憂。

儲能技術一直以來都是科學家相當重視的領域，其中電池又因為便於攜帶、能量密度高與成本較低，可說是重要研究對象，科學家紛紛開發出不同化學性質的電池，而鋰離子電池雖然具有充放電效率高、輸出功率大與低自放電優點，但鋰活性較強，在充放電過程中容易沉積鋰離子，電極表面會因為沉積不均勻形成樹枝狀鋰晶枝，進而造成電池容量損失、充放電效率降低或是刺穿絕緣層，最終導致電池起火。

萊斯大學化學科學家 James Tour 表示，若要解決鋰離子電池易生成晶枝挑戰，其中一個辦法就是降低鋰離子電池的充電速度，但這並不是消費者所期望的結果，因此還得想出其他的辦法。

根據團隊在《Advanced Materials》發表的研究，萊斯大學在鋰電池陽極覆塗鋰化多壁奈米碳管（lithiated multiwall carbon nanotubes），透過既簡單、便宜又高效率的方式來抑止鋰晶枝生長，其中奈米碳管在 1991 年被科學家發現，導電性、導熱性、材料強度都比矽還要高，為近年來炙手可熱的研究材料。

▲ 新型鋰陽極運用奈米碳管薄膜抑制晶枝生長。

Tour 指出，鋰離子滲入奈米碳管層後，薄膜會從黑色變成紅色並讓鋰離子在其中擴散，最後奈米碳管內會布滿鋰離子。當電池運作時，薄膜會釋放儲存的鋰離子，之後鋰陽極則會重新填滿鋰離子，這樣一來就可以維持薄膜運作與阻止晶枝生長。

實驗結果也相當符合團隊期待，研究目前已打造出奈米碳管陽極與硫化碳陰極的鋰離子電池原型，在 580 次充放電循環中，除了能有效減少鋰晶枝生成，其庫倫效率更可維持在 99.8%，若團隊可成功讓研究走出實驗室，說不定可進一步擴大鋰離子電池的應用範圍。

▲ 充放電 500 次循環後的對比圖。右側為一般鋰電池晶枝生長狀況，左側則是覆塗奈米碳管的陽極，幾乎沒有生長晶枝。

鋰離子電池目前為儲能技術領頭羊，但是由於安全隱憂、電解質具高度易燃等缺點，大幅限制鋰離子電池的製造與應用，因此不少科學家試圖找出各式解決辦法，盼在不影響電池性能的情況下打造另一種電極、開發新型電解質等。

像是先前中國科學家在電解質中添入防火效果相當好的硼酸鎂（Mg2B2O5）奈米線、美國西北太平洋國家實驗室的美國環境分子科學實驗室（PNNL/EMSL）則研發出新型阻燃局部型高濃度電解質（LHCE），顯示各方仍看好鋰離子電池的未來發展，希望鋰電池能再進化。

文章來源:https://technews.tw/2018/10/30/nanotubes-may-give-the-world-better-batteries/