清大以紅磷為電池材料 電容量大幅提升

【本刊訊】目前最常見的手機電池為鋰電池,然而其電容量目前較難提升,科學家轉為尋找其他材料,試圖要製出體積更小、電容量更大的全新電池材料。由清華大學化工教授系段興宇領導的團隊研發出全新電池材料「摻碘的紅磷奈米粒子」,理論電容量是目前鋰離子電池中使用的負極材料(石墨)的7倍,耗材只要鋰電池的六分之一。


此新電池是全球第一個以紅磷材料為負極、且可正常使用的全電池。段興宇表示,鋰離子電池廣泛使用於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。

清華大學新聞稿表示,研究團隊耗費一年的時間,試過數百種材料,發展出溶液合成法。研究團隊使用三碘化磷為原料,在室溫下就可合成出「摻碘的紅磷奈米粒子(Iodine-Doped Red Phosphorus Nanoparticles)」,且僅需要5分鐘的時間,電導率瞬間提升為原來紅磷的100億倍。另外,這種新材料在經過數百次的充放電後,仍然穩定不破裂。

論文第一作者張維中表示,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。

段興宇表示,磷是地表上最豐富的元素之一,且其便宜易取得,使新材料的潛力無窮。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,預計能做出更小、更輕、續航力更佳的新材料電池。

這項研究成果近期登上了奈米科學標竿期刊Nano Letters,美國化工科普雜誌「美國化學化工新聞(C&EN news)」亦撰文報導。

清華大學,〈清大研發紅磷新材料 造出更小的「海量」電池〉,2017年4月18日。

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