突破性電極設計：打造更安全、續航力更強的下一代電池

由UNIST能源與化學工程學院的Hyun-Wook Lee教授所領導的研究團隊，針對一種名為「準鋰」的新型陰極材料，成功找出其在高壓充電過程中產生氧氣的原因，並提出了一項創新的材料設計原則來解決此問題。這項突破性研究有望讓電動車單次充電的續航里程達到驚人的1,000公里。

準鋰材料理論上能讓電池在超過4.5V的高壓充電下，儲存比現有技術多出30%至70%的能量。然而，在高壓充電過程中，材料內部所困住的氧氣可能會氧化並以氣體形式釋放，這將帶來極大的爆炸風險。研究團隊發現，當電壓接近4.25V時，氧氣就會開始氧化，導致部分結構變形並釋放氣體。

在發表於《Science Advances》期刊的論文中，研究團隊提出了一項創新的電極材料設計。他們建議將準鋰中的部分過渡金屬替換為電負性較低的元素，從而從根本上防止氧氣的氧化。由於兩種金屬元素之間的電負性差異，電子會聚集在電負性較強的元素周圍，增加過渡金屬的可用電子數量，從而防止氧氣的氧化。反之，當過渡金屬中可用電子不足時，氧氣就會取代並釋放電子，導致其氧化並釋放氣體。

該研究的第一作者、UNIST博士研究員兼UCLA博士後研究員Min-Ho Kim解釋道：「以往的研究主要集中在穩定已氧化的氧氣以防止其氣體釋放，而我們的研究則著重於預防氧氣本身的氧化。」

此外，這種電子密度的變化還能誘導充電電壓的上升，從而實現高能量密度。由於能量密度與可用電子數量和充電電壓成正比，因此替換過渡金屬的策略最終能使電池每單位重量儲存更多的能量。這項原理類似於水壩儲存能量的方式：水量越多，落差越大，儲存的能量就越多。

研究團隊透過實驗證實了過渡金屬（TM）替換對氧氣氧化的抑制效果。利用加速器進行的X射線分析顯示，將部分釕替換為鎳能顯著減少氧氣排放。同時，透過密度泛函理論（DFT）計算，研究團隊也從理論上驗證了電荷重新分佈的現象。

Lee教授表示：「透過各種實驗和理論分析，我們建立了一套技術庫，可以指導陰極材料研究人員進行材料開發。這項工作將有助於開發出具有更高能量密度、且不會爆炸的長續航電池。」