- 南韓研究人員開發納米級電極設計，旨在縮小電動車電池體積。
- 無陰極電池設計去除了石墨，釋放空間並減輕重量。
- 新技術使用次級濺射光刻技術，改善鋰的均勻沉積。
- MXene 層塗覆進一步減少鋰與電解質的非預期反應。
南韓研究人員開發了一種納米級電極設計，旨在使電動車電池更小、更輕，同時延長其使用壽命。該技術利用半導體製造技術來解決不均勻鋰沉積問題，這是無陰極電池面臨的主要障礙。無陰極電池有潛力在給定電池尺寸內增加儲存的能量。然而，商業化開發受到不穩定鋰沉積的限制，這會在重複充電和放電過程中降低性能。
傳統鋰離子電池包含陰極材料，通常為石墨，用於在電池充電時儲存鋰。無陰極設計則去除了這種材料，直接將鋰沉積在薄銅電流收集器上。去除石墨釋放了空間並減輕了重量，有可能使製造商能夠建造具有更高能量密度的電池。對於電動車而言，這可能轉化為更輕的電池組或在不增加電池組尺寸的情況下提高行駛範圍。
無陰極電池的潛力與挑戰
然而，這種設計同時也帶來了工程挑戰。鋰並不總是均勻地分佈在平坦的銅箔上，而是會在特定區域積聚並發展成尖銳的分支結構，稱為樹突。這些結構不穩定會破壞鋰周圍的保護層，並促進與電解質的非預期反應。因此，電池性能在重複循環中迅速下降。早期的解決方案包括添加多餘的鋰或在電極上施加厚保護塗層。雖然這些措施可以抵消鋰的損失或保護其表面，但也會增加電池的重量和體積。
KAIST 領導的團隊對銅箔本身進行了改造，使用次級濺射光刻技術（SSL），這是一種與半導體製造相關的精密製造方法。研究人員創造了規則間距的管狀結構，直徑約 300 奈米，高約 150 奈米。這種排列提供了鋰沉積的明確位置，幫助鋰在電極上均勻分佈，而不是集中在孤立區域。微觀結構將可用於鋰沉積的表面積增加到約四倍於未處理的平坦銅箔，這種較大的沉積區域幫助限制了能夠產生樹突的集中鋰生長。
新技術的創新與應用
研究人員將這種排列比作在原本空曠的停車場上標記緊密的停車位。每個結構幫助將即將進入的鋰引導到可用位置。該團隊還在結構化的銅箔上塗覆了約 10 奈米厚的 MXene 層。MXenes 是二維材料，表面特性可針對電化學應用進行調整。這種塗層不是作為最終的保護屏障，而是像底漆一樣。在研究中使用的基於 LiPF6 的電解質中，其表面促進了豐富鋰氟化物的均勻保護層的形成。
這層保護層減少了鋰與電解質之間的非預期反應，同時進一步抑制樹突的生長。
研究人員使用包括 X 射線光電子能譜、飛行時間次級離子質譜和透射電子顯微鏡等技術檢查其組成和形成。教授李振宇表示：「這項研究顯示了半導體製造中使用的超精細製造技術如何創造鋰沉積的均勻位置，以及穩定的保護層，而無需改變基礎電解質配方或添加多餘的鋰。」研究結果已於 9 月 1 日在《先進功能材料》上線發表。
項目 規格 電池容量 未知 重量 未知
新電極設計對電動車的影響
這項新技術的研發不僅解決了無陰極電池面臨的鋰沉積不均問題，還有助於提高電池的性能和壽命。隨著電動車市場的快速增長，對更高能量密度和更輕電池的需求日益增加。這種納米級電極設計的成功應用，將可能推動電動車技術的進一步發展，並促進更環保的交通解決方案。研究人員的創新方法展示了半導體製造技術在電池技術中的潛力，為未來的電動車電池設計提供了新的思路。