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鋰電池高熵原料大突破 丁志明教授團隊研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料

鋰電池高熵原料大突破

丁志明教授團隊研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料

 

世界越紛亂,心越靜,說的雖是哲學,其實也與科學不謀而合;2004年出現的高熵合金,「熵」即是亂度之意,亂度愈高愈穩定,儼然就是愈紊亂愈穩定的寫照。成功大學材料系特聘教授丁志明所組成之跨校團隊致力於研究高熵氧化物,研究證實開發的尖晶石型高熵氧化物具高穩定性,並發現此一高熵氧化物在鋰電池表現超越目前發表的高熵鋰電池,這款高熵鋰離子電池負極材料使用簡易且可量產的製程,未來優化後便可配合放大製程進一步商業化,為高熵氧化物的儲能應用開啟新頁!

 

這項研究成果(High entropy spinel oxide nanoparticles for superior lithiation-delithiation performance)9月刊登於頂尖期刊Journal of Materials Chemistry A。

 

什麼是熵?丁志明試著將看似艱澀難懂的材料以貼近生活的例子,讓大眾了解。他說,每隔一段時間,房間或書桌會變得越來越凌亂,此刻人們往往會付諸行動將房間或書桌整理一番,但「凌亂」何以重複出現?即便再自律的人也免不了房間或書桌趨於凌亂,「其實,這是一種回歸自然的結果,自然不可違逆,乃呈現在整理之後凌亂再度發生,若不整理,凌亂永遠穩定的存在。」

 

丁志明闡述,高熵材料是台灣在材料研究領域一個很大的成就,是2004年由「高熵之父」、清華大學教授葉均蔚研究出來的成果,此後,愈來愈多人投入此相關領域。丁教授強調,高熵材料歷史不算長,但它展現過去人們不曾見過的材料性質,即亂度高也能趨於穩定,打破一般人認為,穩定就是要整齊、能量低的刻板印象。

鋰電池高熵原料大突破 丁志明教授團隊研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料-校園大小事

2015年開始,陸續投入高熵陶瓷(或稱高熵氧化物)者眾,一波又一波研究熱潮中,不斷出現新型或新穎的高熵材料,而每種材料最終都要走向應用端,丁志明因應當前最夯的能源議題,尤其,鋰電池更是被廣泛運用,他率團隊致力於研發鋰電池材料。「我們跟別人不一樣之處是,探索並選擇不一樣的材料結構,挑出適當元素做出表現穩定的高熵氧化物,讓它在鋰電池表現中超越目前所有發表的高熵鋰電池材料的表現。」團隊花一年時間做出這項材料成果,並於2020年9月正式發表。

 

丁志明說,這項研究以簡易壓力鍋法將週期表過渡金屬元素中的Cr, Mn, Fe, Co, Ni合成具尖晶石結構之高熵氧化物奈米顆粒,最大亮點是得到負極材料之可逆充放電電容量高達1,235 mAh/g,為所有高熵氧化物之冠,同時,由於尖晶石型高熵氧化物具有顯著亂度誘導之結構穩定性,因此,電極之快速充放電性能及循環充放電穩定性均比文獻中所報導的岩鹽型高熵氧化物佳。

 

此外,不同於岩鹽型結構,團隊研究提出的尖晶石結構氧化物粉體,提供更大的氧化價數變化量,大大提升材料在鋰化/去鋰化過程中的可逆電容量。再者,非活性元素鎂(Mg)一向被做為岩鹽型高熵氧化物中之結構支撐元素(structural pillars),幫助穩定結構,然而,丁教授的研究證實所開發的尖晶石型高熵氧化物具有高穩定性,故不須再添加非活性鎂於氧化物中,因此所有使用之元素均能參與電化學氧化還原反應,導致電容量提昇。

 

丁教授說,團隊做出來的粉體(高熵鋰離子電池負極材料),每一顆大小都很均勻,每一顆尺寸比頭髮直徑大一點,約為100個微米,最讓人振奮之處在於製程已驗證確實可量產跟複製。他說,研發過程第一個是確認如何挑選適當的元素,怎麼做出大小一致的材料,學生花很多時間投入改變實驗參數也參考前人的製作方式,最終,在一定溫度、時間、化學藥品配置之下,產出顆粒小又均勻的材料,光是顆粒大小均勻一致,就已是一大突破,更欣喜的是,鋰電池測試結果表現非常優異。

 

他也透露,下一步希望能從鋰電池材料中拿掉鈷,鈷是貴重金屬且數量稀少,後續研究將設法把鈷元素從材料中摒除,希望可降低材料成本。他強調,人們生活從早到晚幾乎離不開鋰電池,如何降低鋰電池成本,是大家爭相投入研究,丁教授團隊目前已掌握關鍵技術。他說,這對業界來說是一個好消息,因為鈷是戰略物質又昂貴,一旦能把鋰電池成本降低,這勢必是未來能源的重要議題。

鋰電池高熵原料大突破 丁志明教授團隊研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料-校園大小事

多年來,丁志明教授及團隊投入鑽研找到關鍵性材料,延伸到生活實用的應用端,例如,丁志明及研究團隊實驗室2012年歷經數年研究、開發出全新氣相成長碳纖維材料(vapor grown carbon fiber mat,簡稱VGCF mat)及其量產技術,散熱效果獨步全球,其與塑膠混合後可以輕易切冰,這項此革命性材料獲業界青睞,以高額技轉金與成大簽約。

 

「材料扮演關鍵角色,因為很多產品要突破必須倚賴材料關鍵技術。」丁教授說,材料系相當貼近生活,人類日常生活每天也離不開材料,材料較少以其實體(例如粉體)去呈現,而往往是以其所做出之元件(例如鋰電池)作為展示。但是,材料雖無法直接彰顯其形體,任何民生,傳統或科技產業都絕對少不了它,重要性不言而喻!

 

新聞來源:成功大學提供

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