中孔洞奈米二氧化矽材料於無陽極鋰金屬電池的應用

Abstract

"近年來隨著電池應用領域的發展，人們對電池的能量密度要求越來越高，希望以更輕、更小的電池驅動手邊的電器。在此需求下，下一代的電池系統一直是被科學界廣為研究的領域。而無陽極鋰金屬電池(Anode Free Lithium Metal Battery, AFLMB)，則被視為下一代的電池系統的候選者之一；其組裝時透過去除傳統鋰離子電池的陽極材料，大幅度的提升能量密度，同時降低成本並增加安全性。然而在電池充放電過程中，鋰金屬在陽極端電鍍與剝除，因著電場的的不勻性，會生成不可預測的鋰枝晶，並在循環過程生成「死鋰」，造成鋰金屬的損耗，使得無陽極鋰金屬電池面臨電池容量衰退快速的問題。 在本研究工作中，我們將具有規則垂直孔洞的中孔洞二氧化矽材料(SBA15(⊥))塗佈於銅箔上作為陽極，使鋰金屬電鍍於陽極表面時的形貌更加平整，避免鋰枝晶的生成，並使鋰金屬的可逆性顯著提升。在NMC532

Cu的系統中，透過SBA15(⊥)修飾的負極應用於無陽極鋰金屬電池，在前10圈的庫倫效率維持至95%以上的高可逆度，使電池的半衰期在0.1C的充放電環境中提高至20圈，優於單純銅箔做電極的電池性能。而為了釐清電池優化的主因，我們進行對照實驗，更換不同種類的二氧化矽奈米材料作為塗佈修飾的材料，發現只有SBA15(⊥)塗佈的電極具有優化的效果。為了進一步了解SBA15(⊥)於無陽極鋰金屬電池的貢獻，在研究過程中，我們使用掃描式電子顯微鏡及能量色散光譜進行分析，觀察鋰金屬的變化，發現SBA15(⊥)修飾的電極具有最平整且最緻密的電鍍鋰。同時我們更進一步用同步輻射中心的低銳角X光散射光譜，證實SBA15(⊥)修飾的電極具有最大的鋰單晶。 "