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石墨烯奈米牆 改善鋰電池負極材料效能

2019-01-03 19:37經濟日報 張傑

能源議題一直是全球各國不斷討論的重點,除了燃燒石油作為能量來源之外,因應電動車產業崛起,發展更有效率的儲能技術,來應對能量存放及攜帶移動問題,鋰離子電池不僅為現今最有效儲存能源的方式之一,更被視為發展儲能電源的前瞻技術。

鋰離子電池具有高電容量、高功率、低成本、與高循環壽命等特性,其中鋰離子電池正負極材料的製作技術與選擇,更是直接影響鋰離子電池的性能、成本與安全性。

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成功大學電機資訊學院講座教授曾永華所研發出的石墨烯海綿結構包覆於矽奈米顆粒,可應用於高循環壽命與高電容量鋰離子電池負極材料應用,由於矽負極材料擁有大於石墨約十倍的電容量,更被視為前瞻性鋰離子電池負極材料,但其最大的限制,在於充放電時矽的體積變化率過大,而影響電池的性能。

曾永華講座教授利用微波式電漿增強化學氣相沈積系統,在矽材上成長石墨烯奈米牆,並藉由掃描式電子顯微鏡、拉曼光譜儀及X-Ray繞射儀分析。

結果顯示多層石墨烯的形貌,直立於矽粉上如同牆一般,因此稱之為石墨烯奈米牆,且矽顆粒上成長石墨烯奈米牆,可保護矽過度與電解液反應,且能當作體積變化的緩衝層,並讓矽顆粒破裂後仍能保持良好的導電性。

研究顯示經石墨烯奈米牆包覆之矽所製成的負極,在目前通用之傳統石墨負極理論上,具有最高容量372mAhg-1的五倍以上容量,且在2000 mAhg-1的定電容量循環充放電下,能有穩定的超過100次循環壽命,而未經石墨烯奈米牆包覆的矽負極差、放電容量僅有數十次的循環壽命,就迅速衰退。

透過電化學分析結果,可顯示本發明石墨烯奈米牆包覆,可幫助矽負極的循環壽命增加,以改善負極材料之使用效能,突破現行能源產業技術瓶頸。

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