【研究成果】提高固態聚合物電解質導電率新方法:三氧化鉬奈米帶氧空位作為路易斯酸位點

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 作為奈米填料的MoO3–x奈米帶降低了PEO基底的SSE結晶度,MNB上的氧空位充當路易斯酸位點,將Li+陽離子與TFSI陰離子解離,提高離子電導率。

鋰離子儲能系統的應用無所不在,將電能儲存後再分配是綠色能源應用中重要的一環。然而,其中液態電解質的易洩漏、易燃等等不穩定性卻一直無法有所突破,於是科學家們逐漸著重於固態電解質(solid-state electrolytes, SSEs)開發。中央研究院應用科學研究所朱治偉研究員與其團隊研究開發新型複合材料,成功提高固態電解質中的離子導電率!

更安全、有效的固態電解質(solid-state electrolytes, SSEs)

現今廣泛使用的鋰離子儲電系統(例如鋰電池)多仰賴液態電解質,其中鋰電池更是在眾多可攜帶電子產品中擔任不可或缺的角色。然而,電解質液相對出色的能量密度背後,卻有著不穩定的風險,例如與電解液交互作用產生的鋰枝晶(Li dendrites)、低離子選擇性(ion selectivity)和高可燃性(flammability)。相較於傳統液態電解質,固態電解質(SSE)更安全、成本效益佳、儲能系統循環壽命更長。

SSE主要分為兩大類:固態無機電解質(solid inorganic electrolytes, SIEs和固態聚合物電解質(solid polymer electrolytes, SPEs)。不過前者SIE在鋰金屬系統中不穩定,其高電導率容易使「鋰」形成核(nucleation),意為鋰金屬的相變。再加上製作成本高與脆性(brittle)等材料本身的限制,使得SIE不是運用在鋰離子儲能裝置中的最佳人選;而後者SPE的高度延展性則可使得機械加工中容易許多,除此之外,SPE輕薄且穩定(與電擊材料搭配時)的優點,很適合作為體積小的輕型電池,或是減少製作成本支出,最重要的是解決了電解液容易洩漏的不安全性。

無機奈米填料與SPE的複合型材料

有著低玻璃轉化溫度、離子溶劑化能力、高柔韌性、與電極的高界面接觸的聚環氧乙烷(poly(ethylene oxide), PEO)基底SPE被視為很有潛力的研發對象,不過PEO對鋰離子不導電,所以純PEO底SPE(PEO-based SPEs)沒有商業價值。近期研究中,利用無機奈米填料(inorganic nanofillers)能加強SPE的離子傳導率,此一發現又喚起了PEO底SPE的開發潛能!

三氧化鉬奈米帶(MoO3–x nanobelts, MNBs)被用在抑制鋰枝晶的生成,於是中央研究院應用科學研究所朱治偉研究員帶領其研究團隊開發新策略:將MNB 已溶液流延法(solution-casting method)作為奈米填料摻入PEO基質中(如圖2),以提高PEO底SPE的離子電導率、電化學性能和機械強度。

圖2. 利用溶液流延法(solution-casting method)製備帶有三氧化鉬奈米帶(MNB)的PMNBs-SPE。

5 % MNB的SPE (PMNBs-SPE)有更高的離子電導率

作為奈米填料的MoO3–x奈米帶降低了PEO基底的SSE結晶度, MNB上的氧空位充當路易斯酸位點,將Li+陽離子與TFSI陰離子解離,提高離子電導率、較短的鋰離子傳導路徑、有效的滲透網絡和更高的機械強度(如圖1)。

在60°C環境下,含有5% MNB的複合SPE (PMNBs-SPE)表現出更高的離子電導率(4.28 × 10-4 S cm-1)。在不同倍率下的循環性能測試中,PMNBs-SPE 似乎也適用於高能量密度的鋰硫電池。

雖然研究還在實驗室初步階段,距離商業量產還有一段路要走,但不可否認其研究對如何增加固態聚合物電解質(SPE)在儲能系統中的實用價值有一定的貢獻,不論對於PMNBs-SPE製備或是提高電導率背後拓樸原理,期待未來能將此研究拓展應用到各方面,不管是生活起居的各式電子產品,亦或綠色能源中講求安全、低成本、環境友善的儲能設備,為未來永續新生活盡一份心力!


參考文獻

[1] Rohan Paste, Chintam Hanmandlu, Po-Yu Su, Cheng-Hung Hou, Hsin-An Chen, Chun-Wei Pao, Jing-Jong Shyue, Kuei-Hsien Chen, Heng-Liang Wu, Hong-Cheu Lin, Chih Wei Chu. Intimate interaction of TFSI− anions with MoO3−x oxygen vacancies boost ionic conductivity of cathode-supported solid polymer electrolyte. Chemical Engineering Journal. Volume 452, Part 1, 15 January 2023, 139088. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139088.

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