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國立清華大學秘書處
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[2017.04.11]清大研發紅磷新材料 造出更小的「海量」電池
手機等3C電子產品當道,如何做出體積更小、電量更高的電池,是許多科學家最想取得的突破。國立清華大學化工系段興宇教授團隊研發出全新電池材料「摻碘的紅磷奈米粒子」,理論電容量是目前鋰離子電池中使用的負極材料--石墨的7倍,耗材則只要六分之一。它不但衝破了鋰電池充電量的天花板,還大幅延長電池續航力,為電池研究立下新里程碑。

段興宇團隊不僅研發出這項全新電池材料,還用它做出全球第一個紅磷為負極的全電池,也就是可實際使用的電池。這項傑出的研究成果近期登上了奈米科學標竿期刊Nano Letters,美國化工界影響力最大的科普雜誌「美國化學化工新聞」 (C&EN news) 還特別撰文報導。

段興宇表示,鋰離子電池廣泛使用於3C商品,但它的電容量、也就是一次充電能使用的量遲遲無法再提升,關鍵在於負極所使用的石墨材料電容量已達極限。過去雖有學者想研究以理論電容量達石墨7倍的磷來替代石墨,但苦於磷雖然可蓄存的電量高,但它幾乎不導電、如同絕緣體,且即使好不容易把電充進去,只要充放電幾次,磷材料就會因急劇膨脹而破碎。還有科學家試著混合磷與碳,然而一旦稀釋掉磷,充電容量也難大幅提升。

段興宇研究團隊耗時一年多,實驗過數百種材料後,終於發展出溶液合成法,使用三碘化磷為原料,在室溫下只要5分鐘就可合成出「摻碘的紅磷奈米粒子(Iodine-Doped Red Phosphorus Nanoparticles)」,電導率瞬間提升為原來紅磷的100億倍,且這種新材料在經過數百次的充放電後,仍然穩定不破裂。

段興宇指導的博士生張維中,也是此論文的第一作者透露,成功的關鍵在於「反向思考」。他說,以往研究人員在嘗試合成奈米磷化物時,多使用要在高溫下才能釋放磷的前驅物,然而經過他們的試驗,這類的前驅物在高溫下,並無法讓磷單獨形成奈米材料。但在一次偶然的實驗中,他試用沸點較低的前驅物:三碘化磷,產生意想不到的好效果,從此重新設計實驗系統,成功在室溫下製造出摻碘的紅磷奈米粒子,這也是全球首例在室溫下合成出紅磷的奈米材料。

張維中隨即示範這項看來十分簡單的實驗,把黑色的碘化磷溶液,加入到含有界面活性劑的還原溶液中,經劇烈攪拌後,很快呈現出極明亮鮮艷、橘紅色的新紅磷材料,乾燥後成為粉末狀,就可用於製造鋰離子電池的負極。張維中還因此愛上橘紅色,在實驗室也常穿著橘紅色的襪子。

團隊中的清華化工所碩士生曾冠維說,這項實驗彷彿是在茫茫的化合物大海中尋找一組最佳組合,載浮載沉、失敗數百次,因此,當得知「配對」成功的瞬間,感動難以言喻。

段興宇表示,磷是地表上最豐富的元素之一,便宜易取得,使得新材料的潛力無窮,以最新的蘋果手機iPhone7為例,目前使用的電池負極的石墨耗重約為6公克,若改用摻碘的紅磷奈米粒子,僅須不到1公克即有同樣的電容量,做出更小、更輕、續航力更佳的新材料電池。

段興宇研究團隊已著手申請「摻碘的紅磷奈米粒子」的多國專利,未來還將嘗試把摻碘的紅磷奈米粒子應用在鈉離子電池上,可降低大型儲能電網的成本與提高其可用的電容量,為新一代電池研發帶來革命性的突破。
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