可望突破電池瓶頸 更安全、高效 奈米纖維 讓電動車跑更遠

編譯/韋士塔 |2021.11.27
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科學家利用木材的纖維素製造固態電池。 圖/網路

編譯/韋士塔

為了尋求功率更大,使用更安全的電池,研究人員正致力開發固體材料,以取代目前鋰離子電池中的液體電解質。美國布朗大學和馬里蘭大學的研究團隊把銅與纖維素奈米纖維(cellulose nanofibrils)結合在一起,研發一種創新、高效的固態離子導體,可望突破能量密度的瓶頸。

目前,鋰離子電池仍以液態電解質為主,原因是固體電解質多由陶瓷材料製成,儘管具有安全、能量密度高、重量輕、充電速度快等優點,但成本過於昂貴,且材質較脆弱,較難承受壓力。

研究人員在發表於《自然》(Nature)期刊的報告中指出,奈米纖維素是把植物細胞中的纖維素,進行奈米級纖維分離後形成的生質材料。以纖維素奈米纖維為基礎製造而成的固體電解質,具有輕薄如紙、有彈性、可以彎曲的優點。這種材料的導電率,比其他聚合物離子導體高出100倍,也沒有傳統液態凝膠體的易燃、高溫下不穩定、低溫時容易凍結等缺點。

研究人員表示,新型固態離子導體的離子導電係數,足以與陶瓷材料媲美,並創下固態電解質最高離子導電紀錄。此外,新的設計能提升電池的能量密度,增加電池容量,並降低電池過熱的風險。

專家指出,鋰離子電池已成為人類生活不可或缺的物品,從智慧手機、筆電到電動車,眾多產品都須使用鋰離子電池。然而,業界已經面臨鋰電池的技術瓶頸,尤其是能量密度和循環壽命。

鋰電池的能量密度是運輸工貝電動化的最大瓶頸之一,儘管鋰電池的能量效率優於內燃機,仍不足以彌補其能量密度偏低的缺點。而要提高鋰電池的能量密度,代價是減少循環壽命,但這將使產品的吸引力降低。

專家指出,以纖維素奈米纖維製作的固體電解質,有望突破電池能量密度瓶頸,把固態電池技術推向大眾市場,延長電動車或其他電動運輸工具的續航力。此外,纖維素奈米纖維取自於自然材料,也能減少生產電池過程中對環境的衝擊與破壞。

日本的科學家也正展開類似的研究,以木質材料生產高性能蓄電池。研究人員指出,目前的高性能蓄電池使用鈷、鋰等稀有金屬,但這些金屬價格昂貴且數量有限,如果能以木質材料取代,可把製造成本壓低,有助推動高性能蓄電池的量產。

日本東北大學與日本製紙公司合作研發的電池,運用專業技術把纖維素奈米纖維堆疊起來,以儲存電能,其電池能量密度可達每公斤500瓦時,大約是鋰離子電池的2.5倍。

日本製紙表示,以纖維素奈米纖維製造的電池,能大幅提高儲電量,並減少對環境的影響。該公司希望在2025年大阪世博會推出展示用的儲能系統,並在10年後將這項技術商業化。

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