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媒體報導

電池研究新里程碑 清大研發「摻碘的紅磷奈米粒子」
新聞來源:聯合新聞網   發佈時間:2017-04-12 15:06:56

2017-04-11 記者馮靖惠 報導

 
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。