- 東國大學開發的電池厚度僅為 2.77 微米，適用於可穿戴設備。
- 無陽極設計改善鋰沉積，提升電池的穩定性和能量密度。
- 研究團隊使用錫/碳雙層塗層，顯示良好的鋰沉積和界面穩定性。
- 這項技術可支持超薄電池在工業規模的應用。
一款厚度僅為 2.77 微米的電池可能為可穿戴電子設備、微型傳感器及醫療裝置提供電力解決方案。這項技術由韓國東國大學的研究團隊開發，該薄膜平台使用錫和碳層來控制鋰的沉積，並在充電和放電過程中減少鋰的損失。該研究由能源與材料工程系的金賢淑教授領導，研究人員將塗層與額外的鋰儲備相結合，以提高電池的穩定性。大學於 11 月 3 日公佈了相關研究結果。
無陽極設計的優勢
解決不均勻的鋰沉積問題全固態電池用固體材料替代液態電解質，提供潛在的安全性和能量密度優勢。然而，不均勻的鋰電鍍和剝離可能會使其運行不穩定。無陽極設計部分解決了製造挑戰，允許鋰從陰極沉積到電流收集器上，形成陽極，簡化了製造過程並提高了體積能量密度，特別是在薄膜電池中。但在剝離過程中，鋰可能會變得電氣隔離，形成「死鋰」，或與固態電解質失去接觸。這些過程減少了隨後循環中可用的鋰，並影響電池容量。
東國大學的團隊研究了在電流收集器上塗層是否能幫助控制該過程。
金教授表示：「我們的中間層作為鋰成核的種子，促進均勻的鋰電鍍，減少鋰的損失，並改善重複充放電的可逆性。」研究人員篩選了僅碳、僅金屬及金屬/碳組合的塗層。結果顯示，在銅電流收集器上使用錫/碳雙層塗層的配置，在各種測試中表現最佳，顯示出良好的鋰沉積和界面穩定性。這兩層材料各自扮演不同角色，錫降低了鋰成核的能量障礙，幫助鋰在界面開始形成。碳覆蓋層則調節隨後的生長，潛在地限制了不均勻沉積並穩定了錫和鋰互動的區域。
研究團隊還在塗層電流收集器上沉積了一層薄薄的金屬鋰。這一預鋰化步驟創建了一個儲備，來補償在初始循環中損失的鋰。在第一次鋰電鍍過程中，形成了一個包含錫和鋰-錫的三維紋理區域。研究人員指出，這種結構可以適應後續循環中的體積和形狀變化，幫助維持接觸和穩定性。
超薄電池的應用前景
超薄平台顯示儲能潛力完成的電池結合了鋰釩氧化物陰極、鋰磷氧氮化物固態電解質和塗層銅電流收集器。在第 100 次循環中，其體積能量密度達到 235.13 Wh/L，測得速率為 0.01 C。整體厚度為 2.77 微米。金教授表示：「我們的方法顯示了界面工程和鋰儲存管理如何改善無陽極薄膜電池。」他補充道：「這一方法可以支持超薄電池的開發，用於可穿戴電子設備、物聯網傳感器和醫療裝置，以及可擴展的無陽極全固態電池（ASSB）應用於工業規模的電力。」
這項研究確定了一種管理超薄電池架構中鋰沉積和鋰供應的方法。該研究成果發表於《先進能源材料》期刊。
項目 規格 體積能量密度 235.13 Wh/L 整體厚度 2.77 微米
超薄固態電池技術的潛力
東國大學的研究展示了超薄固態電池在可穿戴設備和物聯網應用中的潛力。隨著科技進步，對於更小型、輕便的能源解決方案需求日益增加。這項技術不僅解決了鋰沉積不均的問題，還提高了電池的穩定性和能量密度，為未來的電池技術發展奠定了基礎。隨著市場對高效能電池的需求增長，這項研究可能會引領新一波的電池技術革新。