日本研发新型「自愈」电极材料,有望延长电池使用寿命

  随着充放电次数增加,电池中材料的性能日渐衰退,进而影响储电容量跟电荷传递,为此日本东京大学科学家提出新解决办法,运用全新「自修复」电极材料让电池自愈,或许能进一步延长电池使用寿命。

  电池基本上是由一层层材料组成,结构分为阴阳两极、电解质与隔离膜,离子首先会从阴极出发,经过电解质与隔离膜最后抵达阳极。

  只不过电池有其寿命,电池中的材料主要是透过微弱的凡得瓦力(Van der Waals force)聚集,以分子间正、负电荷的微小吸引力来稳固结构,但阴极材料在充放电过程中会不断膨胀与收缩,进而产生压力并影响凡得瓦力,使晶体结构出现失序的原子排列、出现叠差(stacking fault)状况,最终层状结构逐渐产生裂缝或是变薄,造成电池储电与充放电表现不尽理想。

  对此,东京大学工学系教授山田淳夫(Atsuo Yamada)团队带来全新的解决方案,采用名为Na2RuO3 的层状氧化物,让电池材料能自我修复,有望放慢电池的退化速度。

  团队主要是以材料间的库伦引力(coulombic attraction)来控制稳定性,其中库伦引力跟凡得瓦力一样,也是正负电荷之间的吸引力,同号电荷相斥、异号相吸,影响效果则比凡得瓦力还要大。研究指出,当带正电荷的钠离子从材料中离开时,就会形成带负电荷的电洞,之后电洞会和材料中剩下的钠离子产生强烈的电吸引力,有助结构恢复原样。

  该材料或许能缓解电极的退化情形,不过目前山田淳夫团队尚未实际测试新电池的寿命与性能,还需要再进一步研究与验证,山田淳夫表示,Na2RuO3 层状氧化物材料或许能延长电池的使用寿命,但也有可能达到反效果。

  延长电池寿命一直都是科学家的目标,就好比先前美国联合科学团队透过抗腐蚀的高度氟化(fluorinated)电解质,除了可稳定腐蚀性材料的可逆反应、延长电池寿命,还具有防火功能,减缓锂电池易燃问题。

  而东京大学也不是第一个想研发「自愈」电池的团队。美国史丹佛大学、美国能源部SLAC 国家加速器实验室2013 年曾开发出能自我疗伤的电极,团队在电极包覆一层有弹性的聚合物后,当电极在电池充放电过程中出现微小裂缝时,这层保护膜就可捆住电极,让缝隙自行修复。

  由上述例子可以看出科学家一直以来都想高电池性能,盼未来可研制出使用寿命更长的电池,让人们不用再担心电池的健康程度,以及高昂的换电池费用。

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