Only Perception: 鋰電池陰極的重要突破

2009-05-26

鋰電池陰極的重要突破

Major breakthrough in lithium battery technology reported
http://www.physorg.com/news161863249.html

May 18th, 2009

一間由 NSERC 在 Waterloo 大學成立的實驗室為鋰電池打下了基礎，其所儲存與發出的電力為傳統鋰離子電池的三倍以上。

這個由 Linda Nazar 教授、畢業生 David Xiulei Ji 以及博士後研究員 Kyu Tae Lee 所組成的研究團隊是率先為一種鋰--硫磺（lithium-sulphur）電池證明其強健電化學效能的研究團隊之一。這項發在今日由 Nature Materials 的線上版所報告。

這種鋰--硫磺電池的前景已誘惑化學家二十年了，而且不是只因為成功結合這二種化學物質、傳遞高很多的能量密度。硫磺比許多目前用於鋰電池中的其他材料更便宜。在成為安全的、低成本的、持久的可充電電池的理想伙伴上，它總是展現出巨大的希望，事實上這種電池正為低碳排放經濟的能源儲存與運輸所需。

"陰極（cathode）總是困難的挑戰，電池的這部份在充電與放電循環中儲存與釋出電子，" Dr. Nazar 說。"為了使一種可逆的電化學反應在高電流比率下成為可能，電活性（electrically-active）硫磺需要與一導體，例如碳，維持在最密切接觸的狀態。"

這個加拿大研究團隊透過在奈米等級上著手對付這種接觸問題，使其效能超越其他碳--硫磺結合。不過她們表示，同樣的方法或能與其他材料使用。為了她們的概念驗證研究，她們選擇一種高度結構化且多孔的碳家族成員，稱為多孔碳（mesoporous carbon）。在奈米等級下，這類型的碳擁有非常均勻的孔徑與孔隙體積（pore volume）。

利用一種奈米鑄造法（nanocasting），該團隊組裝出一種 6.5 奈米厚的粗碳桿結構，那由空的、三到四奈米寬的通道（channels）所分離。碳微纖維（microfibres）橫跨這些空的通道，使這空洞（voids）開放並避免此結構倒塌。

填充這些微小空洞經證明很簡單。硫磺被加熱且融化。一但與碳接觸，它被吸收或著透過毛細力被吸入通道，硫磺在此凝固並收縮成為硫磺奈米纖維。掃描式電子顯微鏡片段揭露，這些空間全都均勻地被硫磺填滿，使得這種活性元素的巨大表面積暴露於碳並驅使了這種新電池的卓越測試結果。

"這種複合（composite）材料能以合理的速度以及良好的循環穩定性，滿足近乎 80% 的硫磺理論性容量，那是鋰過渡金屬氧化物陰極之能量密度的三倍，" Dr. Nazar 說。

而且，研究者表示，這種碳合併活性材料的高容量為類似的「吸收型複合物（"imbibed" composites）」開啟了大門，那在材料科學的許多領域中都可能有其應用。

該研究團隊持續研究這種材料以解決剩餘挑戰並精煉這種陰極的結構與效能。

Dr. Nazar 表示，她們已申請一項專利，她目前正在檢視商業化與實際應用的選擇。

※ 相關報導：

＊ A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode for lithium–sulphur batteries
http://www.nature.com/nmat/journal/v8/n6/abs/nmat2460.html

Xiulei Ji, Kyu Tae Lee & Linda F. Nazar
Nature Materials 8, 500 - 506 (2009)
doi: 10.1038/nmat2460

The Li–S battery has been under intense scrutiny for over two decades, as it offers the possibility of high gravimetric capacities and theoretical energy densities ranging up to a factor of five beyond conventional Li-ion systems. Herein, we report the feasibility to approach such capacities by creating highly ordered interwoven composites. The conductive mesoporous carbon framework precisely constrains sulphur nanofiller growth within its channels and generates essential electrical contact to the insulating sulphur. The structure provides access to Li+ ingress/egress for reactivity with the sulphur, and we speculate that the kinetic inhibition to diffusion within the framework and the sorption properties of the carbon aid in trapping the polysulphides formed during redox. Polymer modification of the carbon surface further provides a chemical gradient that retards diffusion of these large anions out of the electrode, thus facilitating more complete reaction. Reversible capacities up to 1,320 mA h g-1 are attained. The assembly process is simple and broadly applicable, conceptually providing new opportunities for materials scientists for tailored design that can be extended to many different electrode materials.