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發泡石墨可作為優良電池電極

美國研究人員發現超薄發泡石墨(ultrathin graphite foam, UGF)可使用在鋰離子電池中作為負電極。此輕量化高導電發泡石墨具電化學穩定性,製備簡單且價格低廉,有機會與鋁箔以及鎳箔等一般常用陰極材料一較高下。

德州大學奧斯汀分校的 Rodney Ruoff 等人所研發的超薄發泡石墨是先調配一漿狀物(slurry),其成分包含磷酸鐵鋰(lithium iron phosphate, LFP)、碳黑以及聚偏二氟乙烯,接著藉由液滴塗佈法將其充填入發泡石墨內。待此混合物乾燥後便可與電池隔離膜、正電極、電解液以及電池外殼組裝形成一完整電池。根據團隊成員 Hengxing Ji 表示,當此超薄發泡石墨置於六氟磷酸鋰-有機碳酸鹽之類的電解液內時,在高達 5 V 的電壓下仍極為安定。此外,相較於鋁箔與鎳箔等傳統電極材料,此發泡石墨同時具有較高的功率和能量密度。

目前最先進鋰離子電池單體的陰極通常是由塗佈磷酸鐵鋰的電流收集極所構成,常見材料為厚度約 20–30 μm 的鋁箔。然而儘管鋁箔具有高電導率,卻因其平面結構而無法有效率地收集電子,最終會限制電池的功率密度。此外,較厚的陰極材料雖有助能量密度的增加,但卻會進一步惡化原本受限的電池功率密度。更糟的是,許多電解質溶液會侵蝕鋁箔,導致緩慢的陰極自放電以及整體電池效能下降。

圖為發泡石墨(graphite foam)。圖片來源:EarthTechling

Ji 表示,超薄發泡石墨之所以能取代鋁箔的原因在於它並沒有上述任何缺點。此石墨材料提供高導電內連接支柱網路(室溫電導率約 1.3X105 S/m),大幅提昇了陰極內的電子傳導並改善功率密度。另外,具高表面體積比的超薄發泡石墨密度為 9.5 mg/cm3,相較於鋁箔而言可使用較少材料,故能增加電池能量密度。實驗數據顯示,此超薄發泡石墨/磷酸鐵鋰陰極的最大比電容(specific capacity)分別比鋁/磷酸鐵鋰陰極以及發泡鎳/磷酸鐵鋰陰極高出 23% 與 170%。

石墨在許多電解液中皆具高穩定性意味著採用石墨作為電極的電池不會腐蝕,因此不會產生自放電,這對操作於高電壓的裝置來說尤其有益。未來應用範圍包含其他電化學能量儲存元件,如燃料電池和超級電容器等。該團隊最近計畫優化此超薄發泡石墨中的孔隙大小以及內壁厚度以期更進一步提升功率與能量密度。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl300528p。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Graphite foam makes good battery electrode—nanotechweb.org [2012-05-18]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-22] 

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