創新錫泡沫技術：提升鋰電池電極效能的新契機

在鋰離子電池領域，金屬基電極相較於傳統的石墨電極，具有顯著更高的容量潛力。然而，這些電極在充放電過程中因機械應力而容易劣化，成為一大挑戰。近期，HZB研究團隊發現，高孔隙率的錫泡沫在充電週期中能更有效地吸收機械應力，這使得錫泡沫成為鋰電池材料中的一個極具吸引力的選項。

現代鋰離子電池通常採用多層石墨電極，而對電極則多由氧化鈷製成。在充放電過程中，鋰離子會遷移至石墨中，且不會引起材料的顯著體積變化。然而，石墨的容量有限，這促使研究人員積極尋找替代材料，以突破現有瓶頸。

金屬基電極，如鋁或錫，雖然能提供更高的容量，但在吸收鋰離子時會產生顯著的體積膨脹，這導致結構變化和材料疲勞。其中，錫因其每公斤的容量幾乎是石墨的三倍，且並非稀有原料，而是資源豐富，因此特別受到關注。

為解決金屬電極的疲勞問題，研究人員提出了兩種方案：一是對薄金屬箔進行奈米結構化，二是使用多孔金屬泡沫。HZB團隊利用操作X射線成像技術，研究了多種錫電極在放電和充電過程中的表現，並開發出一種創新方法來應對這一挑戰。部分實驗在BESSY II的BAMline進行，高解析度的X射線影像則與HZB的影像專家Dr. Nikolai Kardjilov和Dr. André Hilger合作完成。

「這讓我們能夠追蹤錫基電極在充放電過程中的結構變化，」該研究的第一作者Dr. Bouchra Bouabadi表示。她與電池專家Dr. Sebastian Risse共同探討了錫電極在運作過程中因鋰離子不均勻吸收而產生的形態變化。

Dr. Francisco Garcia-Moreno成功製作出了最佳版本的錫電極：一種具有無數微米級孔隙的錫泡沫。「我們發現，這種錫泡沫在體積膨脹時的機械應力顯著降低，」Dr. Risse解釋道。這使得錫泡沫成為鋰電池材料中的一個極具潛力的選項。

Garcia-Moreno先前已研究過多種金屬泡沫，包括用於汽車工業的元件以及鋁泡沫電池電極。「我們在柏林工業大學開發的錫泡沫具有高度孔隙率，是傳統電極材料的有力替代品，」他補充道。

錫泡沫的結構設計對於盡可能減少機械應力至關重要。從經濟角度來看，錫泡沫技術也極具吸引力：「雖然錫泡沫比傳統的錫箔更昂貴，但它提供了一種比昂貴的奈米結構化更經濟的替代方案，同時能夠儲存更多的鋰離子，從而提升電池容量。」