利用線上層析系統分析中孔洞矽薄膜修飾之無陽極鋰金屬電池

Abstract

"無陽極鋰金屬電池(Anode Free Lithium Metal Battery, AFLMB)具有潛力成為下一代的電池系統；其組裝時不添加過量的鋰金屬，利用有限的鋰金屬離子進行充放電，AFLMB不僅提升能量密度、降低成本還能增加安全性。然而鋰金屬在陽極端電鍍與剝除的過程中，高活性的枝晶狀鋰金屬的形成容易與電解液發生不可逆反應並產生氣體，造成鋰金屬的損耗，使得AFLMB面臨庫倫效率衰退快速的問題。1因此開發線上氣相層析系統分析反應過程的氣體能進一步提供電池反應中的關鍵訊息。 在本研究工作中，將具有規則孔洞的中孔洞矽薄膜 (Mesoporous Silica Thin Film, MSTF) 修飾於不鏽鋼集流板上作為AFLMB的陽極，使鋰金屬電鍍於陽極表面的形貌更加平整，避免枝晶狀鋰金屬的生成。在醚類電解液系統中，透過MSTF修飾的負極應用在AFLMB，電池庫倫效率有20% 的提升，及負極上的電鍍鋰金屬形貌平整圓潤。2為了進一步提高AFLMB的能量密度，我們將具有更高比電容的三元鋰金屬氧化物 (NMC) 正極材料與MSTF修飾的負極組裝，在具有更高操作電壓的碳酸酯類電解液中進行效能測試。由於鋰金屬先天在碳酸酯類電解液中的電鍍/剝除行為可逆性較差，在碳酸酯類電解液中MSTF薄膜無法透過調節鋰金屬的電鍍形貌來改善AFLMB的充放電循環的表現。由於AFLMB在碳酸酯類溶液中的充放電循環表現較差，我們進一步將富含鋰的層狀鋰金屬氧化物正極材料組裝於AFLMB中，此正極材料能夠在第一圈充電過程中提供多餘鋰金屬，儲存於在負極材料上形成，提供多餘的鋰存量彌補鋰金屬於反覆電鍍剝除過程中所消耗的鋰金屬，藉此提升AFLMB充放電循環的表現。 為了近一步了解鋰金屬電鍍形貌及電解液分解之間的關係，在研究過程中，同時利用掃描式電子顯微鏡及線上氣體分析技術觀察鋰金屬形貌的變化並了解不同形貌之鋰金屬與電解液之間的分解反應活性。"