無陽極固態電池：邁向實用化的關鍵突破

從筆記型電腦到電動車，鋰離子電池已成為現代生活中不可或缺的能源來源。然而，隨著消費者對更長續航力裝置的需求不斷攀升，現有鋰離子電池的供能能力已逐漸無法滿足市場需求，促使研究人員積極尋找更強大的電池技術。

由普林斯頓大學機械與航空工程系副教授Kelsey Hatzell領導的研究團隊，近期在無陽極固態電池領域取得重大突破。這項研究不僅揭示了這類新型電池的運作機制，更為其效能提升與量產化提供了關鍵見解，有望加速這項技術從實驗室走向實際應用，推動清潔能源轉型。

「若能成功開發這類新型電池，我們將能突破傳統電池的能量密度限制，」Hatzell表示，「這意味著你的筆電和手機充一次電就能使用更久，電動車的續航里程可望突破500英里，甚至可能實現現今看似不可能的目標，例如電動航空。」

這項研究源自Hatzell參與的「固態離子導體機械化學理解」(MUSIC)計畫，該計畫由密西根大學安娜堡分校主導，匯集了來自九所機構的16位研究人員，旨在推動電化學能源儲存系統的基礎研究。

「固態電池有望徹底改變能源儲存技術，但最大的挑戰在於開發大規模量產的製程，」加州大學聖塔芭芭拉分校材料與機械工程系教授、MUSIC計畫主任Jeff Sakamoto指出，「Hatzell的研究在改進固態電池製造工藝方面扮演重要角色，她的工作展現了整合性研究如何協助克服複雜的多學科挑戰。」

傳統電池由正極（陰極）和負極（陽極）組成，兩極之間以電解質隔開，並透過稱為集電器的金屬薄片與外部電路連線。離子在兩極之間的移動為電池提供能量：充電時離子從正極經電解質流向負極，放電時則反向流動。

Hatzell團隊研究的無陽極固態電池與傳統鋰離子電池有兩大根本差異。首先，其電解質為固態而非液態，這使得電池能在更小空間內儲存更多能量，且能在更廣泛的溫度範圍內保持高效運作，並具有更長的使用壽命。其次，這類電池移除了負極，離子直接從正極流向集電器，在充電時於集電器表面形成金屬層。

移除陽極不僅降低了成本，還使電池更加緊湊。更重要的是，這避免了使用鋰金屬箔作為陽極所帶來的製造難題。「若能組裝出無需鋰金屬陽極的電池，我們將能大幅降低成本，同時利用現有製造工藝，」Hatzell解釋道，「這兩項優勢對於在電池市場取得突破至關重要。」

然而，這類新型電池在實際應用中仍面臨諸多挑戰，其中最重要的是確保固態電解質與集電器之間的良好接觸。這關係到離子能否在充放電過程中均勻地沉積和剝離。Hatzell團隊在《ACS Energy Letters》發表的論文中，探討了壓力等因素對電解質與集電器接觸的影響。

「充放電過程中，電池會經歷電化學反應，而施加外部壓力會引入機械力，」該論文第一作者、博士後研究員Se Hwan Park表示，「這是一個非常複雜的系統，涉及多種相互作用力。」

研究發現，過低的壓力無法改善表面缺陷造成的接觸不均，導致離子沉積不均，形成金屬細絲，可能刺穿電解質造成短路。而過高的壓力則會放大表面缺陷，導致機械應力引發裂紋。因此，如何在中低壓力下維持良好接觸成為關鍵挑戰。

在另一項發表於《Advanced Energy Materials》的研究中，Hatzell團隊探索了在集電器與電解質之間施加薄塗層以改善離子傳輸的方法。研究顯示，由碳和銀奈米粒子組成的中間層能實現最均勻的金屬沉積，其中銀奈米粒子的大小至關重要：50奈米的粒子能形成更緻密均勻的結構，提升電池穩定性和功率輸出。

「只有少數研究團隊探討過這些中間層中的實際過程，」Park指出，「我們的研究表明，系統的穩定性與金屬在集電器上沉積和剝離的形態密切相關。」

此外，Hatzell與MUSIC合作者在《Nature Materials》發表的綜述文章，總結了無陽極固態電池的最新進展，並指出了待解決的研究缺口。其中最大的挑戰在於如何將實驗室成功的技術擴大規模，並整合到現有電池製造供應鏈中。

隨著中國、日本和韓國等國紛紛制定固態電池的商業化計劃，Hatzell對這項技術的未來充滿信心。「真正的挑戰在於如何在短短幾年內將研究成果轉化為實際應用，」她表示，「希望我們在MUSIC的工作能為這類次世代電池的大規模開發和部署奠定基礎。」