新塗佈技術在次世代鋰電池陽極的應用

New coating technique finds application in next-generation lithium battery anodes
http://phys.org/news/2012-11-coating-technique-application-next-generation-lithium.html

By Lisa Zyga, November 15, 2012

(Phys.org) -- 當 Ovadia Lev（耶路撒冷希伯來大學的環境化學與健康教授）及其研究團隊在數年前開發出一種新的塗佈技術時，他們認為那是他們在其過氧化氫溶液研究中，一項有趣的結果。然而，他們並不知道那能拿來做什麼，直到他們遇到了一個團隊，那正在尋找一種簡單的方法，來合成新鋰離子電池陽極材料，例如：石墨烯--錫氧化物（graphene-tin oxide）這種複合物。

"我的實驗室，在與我的前博士生與目前研究夥伴（Dr. Petr Prikhodchenko）的合作下，研究富含過氧化氫溶液中之溶膠--凝膠（sol-gel）化學已經有好幾年了，" Lev 表示。"這項研究的結果之一是一種利用奈米化的金屬氧化物小點來塗佈微粒（particulates）的技術。我們開始尋找一個有吸引力的示範應用，能揭露我們塗佈程序的優點。換言之，我們有某種藥，且正在尋找適合的疾病。"

"接著，我的實驗室開始涉入與以色列及新加坡（由 Singapore National Research Foundation 旗下的 CREATE 計畫：「Nanomaterials for Energy and Water Management」所支持）之間的合作，而我們的新加坡夥伴很快就領悟到，鋰離子電池陽極能從我們的微粒塗佈方法的彈性與簡便性中獲得極大利益。"

電池研究者發現石墨烯--錫氧化物有三大主要原因，能成為鋰離子電池的陽極材料之一：它具有很高的理論性充電容量（charging capacity，蓄電量），石墨烯有高導電率，且石墨烯氧化物與錫氧化物奈米結晶體緊密接觸。

問題在於，這些複合材料的合成 -- 那涉及塗佈一層超薄氧化錫奈米結晶體到石墨烯氧化物的薄片上 -- 在以前是一種昂貴、高溫的製程。但利用新塗佈技術，研究者發現他們在沒有複雜基礎設施的情況下，能以一種成本縮減且環保的方式，於室溫下合成石墨烯--錫氧化物複合物。

Lev，Prikhodchenko，及其共同作者（來自以色列、俄羅斯與新加坡）將他們改良過的合成方法研究發表在最近一期 Nanotechnology 期刊上。

如研究者的解釋：這種新微粒塗佈技術使用過氧化氫來誘導氧化錫奈米結晶體在石墨烯氧化物上形成與沈積。在先前的研究中，研究者發現，過氧化氫透過數種化學機制促使氧化錫塗佈的形成，諸如：促進鍵結與防止粒子堆積。

利用這種塗佈技術，研究者在此達到平均大小僅有 2.5 nm 的氧化錫奈米結晶體，那於先前所達到的 4 nm 尺寸相較，顯然小了許多。小尺寸減少了鋰合金化（alloying）所導致的形變（deformation），那接著改善了充／放電週期的效能。

為證明複合材料在電池中的效能，研究者使用石墨烯--錫氧化物製備二種類型的鋰離子陽極：具有氧化錫塗佈的石墨烯氧化物，以及塗佈氧化錫與錫的石墨烯氧化物。二種陽極均展現出高電容量（約從 1500 mAh/g 開始），那超越所預測的理論電容量，可是在 90 週期後，那降到約 700 mAh/g。由於導電的石墨烯與非常微小的氧化錫奈米結晶體之間的密切接觸，二種陽極也展現出穩定的充／放電循環穩定性（cyclability）。與塗佈氧化錫與錫的複合物相較，沒有錫的複合物展現出更高的充電容量，但在額外的充／放電後，穩定性稍微降低，研究者將之歸因於熱處理（thermal treatment）中的而非成份中的差異性。

Lev 對於石墨烯--錫氧化物陽極如何與當前鋰離子電池研究的大景象相契合做出解釋。

"鋰離子電池在數個平行方向上發展，以改善充電容量、特定能量密度、充電與放電率、電池壽命以及充電衰退（charge fading）、電池安全性，還有前述所有電池的成本為目標，那要求來自便宜原料的廉價的製造過程，" 他說。"每種可充電電池的應用應當在不同的電池成份中擁有不一樣的最佳化目標--功能結果（optimization target-function resulting）。例如，充電衰退在玩具與智慧型手機中的容忍度有所不同，而這二個不同的消費者族群對於額外的電池壽命，也願意有不一樣的付出。"

"我們的新方法僅以這些觀點中的其中二種為目標：優異的充電容量（那比石墨陽極多二倍）以及低成本，那表現在便宜的原料與溼化學製程（wet chemistry processing）。"

在未來，研究者計畫將其研究擴展到其他可能從過氧化氫溶膠--凝膠製程獲益的電極組成。

※ 相關報導：

＊ Peroxide induced tin oxide coating of graphene oxide at room temperature and its application for lithium ion batteries
http://iopscience.iop.org/0957-4484/23/48/485601/

S Sladkevich, J Gun, P V Prikhodchenko, V Gutkin,
A A Mikhaylov, V M Novotortsev, J X Zhu, D Yang, H H Hng,
Y Y Tay, Z Tsakadze, and O Lev
Nanotechnology 23 485601 (2012)
doi: 10.1088/0957-4484/23/48/485601

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