修電極裂縫 彈性膜癒鋰電池

團隊塗抹聚合物於氣球，模擬充放電時矽的脹縮。　圖／SLAC國家加速器實驗室Brad Plummer提供

【記者柯皓翔綜合報導】科學家近來以矽作為鋰電池負極材料，試圖提升蓄電力。然而充放電過程中，矽的脹縮會造成碎裂，不利實際應用。美國史丹佛大學（Stanford University）與SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）合作，將電極包覆一種聚合物，製成「自癒電極」，成功克服此限制。

　研究作者、史丹佛大學博士後研究員王超解釋，充電過程中，鋰會與矽生成「矽─鋰合金」以儲存電能，此時電極體積膨脹三倍；放電時，鋰離子逐漸遠離矽，造成電極縮小。由於矽材質較脆，體積變化後易生裂縫。

　明志科技大學化學工程系教授楊純誠表示，95%的鋰電池選用石墨作為負極材料，充電時約有5%的體積變化，但其每克只能儲存372毫安時（mAh）的電量；相較之下，矽的電容量高達每公克4000毫安時。

　為解決矽電極破裂的問題，團隊在其表面包覆聚合物，上頭附有助導電的奈米碳管；當裂縫產生時，此彈性膜可在數小時內完成修補。王超表示，彈性膜含大量氫鍵，容易打斷且能可逆復原，因此達到癒合效果，進而維持電池狀態，延長壽命。

　實驗結果顯示，自癒電極經100次充放電循環後，蓄電力毫不衰退，並增加10倍使用期限。團隊目標讓手機、電動車分別以最佳蓄電力達500次、3000次循環。

　王超表示，研究靈感來自於動植物，他們透過自癒機制得以延長壽命，「人類總是能從大自然中找到科技問題的答案。」

　此研究發表在19日出刊的《自然化學》（Nature Chemistry）。