生活 台灣好新聞 成大丁志明教授團隊 研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料

成大丁志明教授團隊 研發高穩定性高熵鋰離子電池負極材料

記者吳順永/台南報導

成功大學材料系特聘教授丁志明所組成之跨校團隊致力於研究高熵氧化物,研究證實開發的尖晶石型高熵氧化物具高穩定性,並發現此一高熵氧化物在鋰電池表現超越目前發表的高熵鋰電池,這款高熵鋰離子電池負極材料使用簡易且可量產的製程,未來優化後便可配合放大製程進一步商業化,為高熵氧化物的儲能應用開啟新頁。


什麼是熵?丁志明試著將看似艱澀難懂的材料以貼近生活的例子說明,讓大眾了解,他說,每隔一段時間,房間或書桌會變得越來越凌亂,此刻人們往往會付諸行動將房間或書桌整理一番,但「凌亂」何以重複出現?即便再自律的人也免不了房間或書桌趨於凌亂,這是一種回歸自然的結果,自然不可違逆,乃呈現在整理之後凌亂再度發生,若不整理,凌亂永遠穩定的存在。


丁志明闡述,高熵材料是台灣在材料研究領域一個很大的成就,是2004年由「高熵之父」清華大學教授葉均蔚研究出來的成果,此後,愈來愈多人投入此相關領域。


丁教授強調,高熵材料歷史不算長,但它展現過去人們不曾見過的材料性質,即亂度高也能趨於穩定,打破一般人認為,穩定就是要整齊、能量低的刻板印象,


2015年開始,陸續投入高熵陶瓷(或稱高熵氧化物)者眾,一波又一波研究熱潮中,不斷出現新型或新穎的高熵材料,而每種材料最終都要走向應用端,丁志明因應當前最夯的能源議題,尤其,鋰電池更是被廣泛運用,他率團隊致力於研發鋰電池材料。團隊花一年時間做出這項材料成果,並於2020年9月正式發表。


丁志明說,這項研究以簡易壓力鍋法將週期表過渡金屬元素中的Cr, Mn, Fe, Co, Ni合成具尖晶石結構之高熵氧化物奈米顆粒,最大亮點是得到負極材料之可逆充放電電容量高達1,235 mAh/g,為所有高熵氧化物之冠,同時,由於尖晶石型高熵氧化物具有顯著亂度誘導之結構穩定性,因此,電極之快速充放電性能及循環充放電穩定性均比文獻中所報導的岩鹽型高熵氧化物佳。


此外,不同於岩鹽型結構,團隊研究提出的尖晶石結構氧化物粉體,提供更大的氧化價數變化量,大大提升材料在鋰化/去鋰化過程中的可逆電容量。再者,非活性元素鎂(Mg)一向被做為岩鹽型高熵氧化物中之結構支撐元素(structural pillars),幫助穩定結構,然而,丁教授的研究證實所開發的尖晶石型高熵氧化物具有高穩定性,故不須再添加非活性鎂於氧化物中,因此所有使用之元素均能參與電化學氧化還原反應,導致電容量提昇。


丁教授說,團隊做出來的粉體(高熵鋰離子電池負極材料),每一顆大小都很均勻,每一顆尺寸比頭髮直徑大一點,約為100個微米,最讓人振奮之處在於製程已驗證確實可量產跟複製。


他也透露,下一步希望能從鋰電池材料中拿掉鈷,鈷是貴重金屬且數量稀少,後續研究將設法把鈷元素從材料中摒除,希望可降低材料成本。他強調,人們生活從早到晚幾乎離不開鋰電池,如何降低鋰電池成本,是大家爭相投入研究,丁教授團隊目前已掌握關鍵技術,這對業界來說是一個好消息,因為鈷是戰略物質又昂貴,一旦能把鋰電池成本降低,這勢必是未來能源的重要議題。