電池創新：聚焦金屬質地提升效能

為了研發出電動車、行動裝置以及可再生能源儲存所需的新型電池，研究人員們不斷探索新材料、新設計、新構型以及新化學原理。然而，有一個方面——所使用金屬的質地，長期以來一直被忽視。

芝加哥大學分子工程系的雪莉·孟教授，也就是廖氏家族講席教授表示：「像鋰和鈉這類軟金屬，作為電池負極具有優異的特性，其中鋰更被視為未來高能可充電電池的理想負極材料。但對於晶粒取向（也就是質地）如何影響可充電金屬電池效能，我們的理解還存在空白。」

孟教授的能源儲存與轉換實驗室和業界合作夥伴賽默飛世爾科技公司共同發表的一篇新論文，突破了這一障礙。該論文證實，改善金屬的質地能大幅提升電池效能。這項研究成果已發表在《焦耳》期刊上。

該論文的第一作者、芝加哥大學分子工程系的張明浩副教授指出：「在我們的研究中，發現於鋰金屬和集電體之間新增一層薄矽，有助於形成理想的質地。在使用鋰金屬的全固態電池中，這一變化使電池的倍率效能提升了近十倍。」

電池負極的理想質地，是原子能夠沿表面平面快速移動的狀態。這種快速移動有利於電池更快地充放電。張副教授表示：「我們意識到，軟金屬表面能的差異確實會改變其質地。由於使用鋰或鈉金屬的電池依賴這些質地來獲得良好的倍率效能，於是團隊就想知道，微調軟金屬的質地是否能提高功率密度。」

要研究這個問題，必須克服顯微鏡技術上的難關。為了研究這種材料，研究團隊將等離子聚焦離子束掃描電子顯微鏡（PFIB - SEM）中的研磨技術與電子背散射衍射（EBSD）成像技術相結合。這兩種技術相輔相成，能夠以全新的方式研究質地。

該研究的共同作者、賽默飛世爾科技公司的高階市場開發經理趙柳指出：「收集軟金屬的質地資訊具有挑戰性，主要是因為難以獲取目標區域，以及鋰和鈉金屬的反應活性。PFIB - EBSD的組合非常適合這項研究，因為PFIB能夠有效地進入電池堆中的目標區域，產生缺陷最少的高品質表面，而EBSD則能提供軟金屬詳細的質地資訊。」

研究團隊已與LG能源解決公司的前沿研究實驗室展開合作，後者將致力於該技術的商業化。LG能源解決公司的高階研究員鄭範李表示：「LG能源解決公司積極尋求研究合作，以在快速發展的電池市場中保持領先地位。隨著電動車和能源儲存需求的持續增長，我們認識到將自身的製造專長與大學的創新研究相結合，對於開發下一代電池技術的重要性。」

研究人員的下一個挑戰，是將測試時使用的壓力從5兆帕（MPa）降至1兆帕，這是目前市售電池的行業標準。他們還計劃研究質地對鈉的影響，孟教授長期以來一直將鈉視為鋰的一種廉價且易獲取的替代品進行研究。張副教授表示：「由於我們現在已經瞭解軟金屬中質地是如何形成的，我們預測鈉金屬也傾向於形成有利於原子快速擴散的質地。這意味著在全固態電池中使用鈉作為負極，可能會在未來的能源儲存領域取得重大突破。」