全球獨創 清大研發紅磷超高量電池

清華大學,紅磷電池
論文第一作者博士生張維中(右),清大化工系段興宇教授(中),第二作者碩士生曾冠維(左)。(圖/清華大學提供)

3C電子產品當道,如何做出體積更小、電量更高的電池,是許多科學家最想取得的突破。國立清華大學化工系段興宇教授團隊研發出全新電池材料「摻碘的紅磷奈米粒子」,電容量是目前鋰離子電池中使用的負極材料石墨的7倍,耗材卻僅只要六分之一。不但衝破了鋰電池充電量的天花板,還大幅延長電池續航力,為電池研究立下新里程碑。團隊不僅研發出這項全新電池材料,還用它做出全球第一個紅磷為負極的全電池。這項傑出的研究成果近期登上了奈米科學標竿期刊Nano Letters,美國化工界影響力最大的科普雜誌「美國化學化工新聞」 (C&EN news) 還特別撰文報導。

段興宇教授表示,鋰離子電池廣泛的被使用於3C商品,但它的電容量也就是一次充電能使用的量遲遲無法再提升,關鍵在於負極所使用的石墨材料電容量已達極限。過去雖有其他學者想研究以理論電容量達石墨7倍的磷來替代石墨,但苦於磷雖然可蓄存的電量高,但它幾乎不導電、如同絕緣體,且即使好不容易把電充進去,只要充放電幾次,磷材料就會因急劇膨脹而破碎。還有科學家試著混合磷與碳,然而一旦稀釋掉磷,充電容量也難大幅提升。

段興宇研究團隊耗時一年多,實驗過數百種材料後,終於發展出溶液合成法,使用三碘化磷為原料,在室溫下只要5分鐘就可合成出「摻碘的紅磷奈米粒子(Iodine-Doped Red Phosphorus Nanoparticles)」,電導率瞬間提升為原來紅磷的100億倍,且這種新材料在經過數百次的充放電後,仍然穩定不破裂。

段興宇指導的博士生張維中透露,成功的關鍵在於「反向思考」。他說,以往研究人員在嘗試合成奈米磷化物時,多使用要在高溫下才能釋放磷的前驅物,然而經過他們的試驗,這類的前驅物在高溫下,並無法讓磷單獨形成奈米材料。但在一次偶然的實驗中,他試用沸點較低的前驅物:三碘化磷,產生意想不到的好效果,從此重新設計實驗系統,成功在室溫下製造出摻碘的紅磷奈米粒子,這也是全球首例在室溫下合成出紅磷的奈米材料。

清華大學,紅磷電池
經劇烈攪拌後,很快呈現出極明亮鮮艷、橘紅色的新紅磷材料,乾燥後成為粉末狀,就可用於製造鋰離子電池的負極。(圖/清華大學提供)

段興宇表示,磷是地表上最豐富的元素之一,便宜易取得,使得新材料的潛力無窮,以最新的蘋果手機iPhone7為例,目前使用的電池負極的石墨耗重約為6公克,若改用摻碘的紅磷奈米粒子,僅須不到1公克即有同樣的電容量,做出更小、更輕、續航力更佳的新材料電池。

目前研究團隊已著手申請「摻碘的紅磷奈米粒子」的多國專利,未來還將嘗試把摻碘的紅磷奈米粒子應用在鈉離子電池上,可降低大型儲能電網的成本與提高其可用的電容量,為新一代電池研發帶來革命性的突破。

清華大學,紅磷電池
奈米紅磷的電導率高於半導體鍺、矽,更是商用紅磷的100億倍,此為商用紅磷和半導體鍺、矽的電導率之比較示意圖。(圖/清華大學提供)

關鍵字: 材料電池容量紅磷清華大學
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