奈米矽應用於鋰電池(LiB)性能提升

奈米矽應用於鋰電池(LiB)性能提升

鋰離子電池是目前電池儲能系統技術龍頭，消費型電子產品、電動車或是儲能系統都可以看到它們的身影，只不過該電池還是存在許多挑戰，像是電解質易燃、容量不高與壽命短等問題，這些都是科學家想逐一突破的課題。

其中矽可說是大幅提升鋰電池容量的陽極(負極)好幫手，不管是吸收鋰離子的效果還是在地殼上的含量，都比現在鋰電池採用的石墨陽極還要好，若採用 100% 矽陽極，電池容量理論上可以增加 70%，但事情總是沒有想像中那麼簡單，矽在充電時體積會膨脹 300%，放電時又會縮小恢復正常，只要充電一次矽材料就會不堪負荷碎成粉狀，大幅限制矽含量。

因此現在各國科學將都想要克服這項挑戰，像是先前挪威能源技術研究所將矽奈米粒子與未命名材料相結合，使矽顆粒能承受較大的體積變化，有望將電容量提升最高 5 倍；美國 Sila Nanotechnologies 公司則採用石墨-矽奈米複合材料，運用多孔支架為矽挪出可膨脹與縮小的空間(如圖一)，解決膨脹問題並讓電池容量提高 20%。

添加碳材形成Si/C 複合材料此一概念乃建構在利用碳材建立架構並將Si 粉體分散其中，如此可藉由碳材，特別是非晶型碳的柔韌性與延展性，來吸收矽材在反應過程中所產生的應力，具有保護及減緩形貌改變的功效。分別使用Polyacrylonitrile (PAN)、Polyalcohol (PVA)、 Polyvinyl Chloride (PVC)等高分子和矽預做均勻混合，再經熱裂解後形成矽/非晶型碳複合材料，其矽電容量與循環壽命均有顯著的提升。另外，諸多研究則透過高能球磨矽與碳源或石墨直接形成Si-C 複合材料，除可經由調整活性物質比例、球磨條件設計以達最適化外，更可透過電流收集板的選擇，改善電極的電化學特性，但大多數的複合電極仍存有相當的衰退速率。有人則嘗試奈米矽粉分散在碳氣膠中並進一步碳化，所製備之複合電極可展現出1450 mAh/g 的可逆電容量，並可穩定操作50 個循環。圖四(a)~(d)顯示不同方式改良處理後之複合電極微結構，圖二(e)為不同球磨製備條件之Si/Graphite/C 複合材料示意圖。

圖二、不同改良方式處理後之複合電極微結構：(a)三維結構之Ni Form 電流收集板；(b)以Ni Form電流收集板所形成之Si-C 複合電極；(c)由噴霧裂解法製備之奈米矽- 碳複合材料的TEM 分析；(d)噴霧乾燥製備之奈米Si/C 複合材料之微結構；(e)不同球磨條件搭配之Si/Graphite/C 複合材料之微結構及示意圖

顯然這些研究都跟奈米技術有關，將矽製成奈米級的晶體、線狀或管狀或許就可以防止矽材料在充放電時受損。

工研院材化所為達成高容量、低不可逆容量與長循環壽命之負極材料設計概念，以三項可以工業化量產的技術完成。第一是奈米化技術，為了解決矽本身之膨脹收縮問題，將矽奈米化可降低膨脹後產生之應力，本實驗室使用微米級矽，經由高速奈米研磨機，在不同研磨時間(2~6 h)，為藉由動態雷射儀(DLS)所量測出奈米矽之粒徑分佈，奈米矽之粒徑分佈主要為50~80 nm 。第二是噴霧造粒技術，調控奈米矽、石墨與導電碳之漿料比例、溫度與壓力，製備出多孔性矽碳負極材料，此材料結構設計，在電化學反應中，有助於電解液的鋰離子快速與活性物質（矽/ 石墨）反應。第三是機械融合技術，多孔性矽碳負極材料表面修飾一層導電碳，可以降低粉體表面積，增加粉體間的導電性，有助於減低不可逆的化學或電化學反應，達到低不可逆、高容量之矽碳負極材料。

合記機械陶瓷奈米研磨機(如圖三)，採用全陶瓷研磨腔體，氧化鋯渦輪研磨設計，配合碳化矽腔體，不僅無金屬汙染問題，且能有效將微米級矽經由高速研磨後奈米化矽材，解決矽本身之膨脹收縮問題，將降低膨脹後產生之應力，進一步提升矽陽極電池之電容量。

圖三、陶瓷奈米研磨機

參考資料：

1.      科技新報網址：https://technews.tw/2019/01/18/silicon-anode-improve-charge-capacity/

2.      三大車用電池技術：固態電池 、 磷酸鐵鋰電池 、 矽陽極電池各要解決什麼問題？

原文網址：https://www.techbang.com/posts/85506-three-challenges-for-car-batteries

3.      材料世界網：鋰離子電池高容量負極材料技術

原文網址：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7611

4.      矽作為電池負極材料的飛躍：一種碳納米管/矽微球結構
原文網址：https://read01.com/MJn4mdM.html