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，是許多科學家突破的目標。清華大學化工系教授段興宇的研究團隊，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，不僅衝破鋰電池充電量的天花板，還大幅延長電池續航力，已著手申請多國專利。

 

清大表示，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。研究成果近期登上奈米科學標竿期刊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) 也撰文報導。

 

段興宇說，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。

 

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。

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。

 

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。