香港城大鋰電池材料專家 新研發材料具快速充放電能力

手機，已成為我們當今生活不可或缺的物件。工作時候在看，回家路上在看，吃飯娛樂時也在看。睡前不刷一會兒手機或者無法入睡，睡醒第一時間也是找手機。手機幾乎處於24小時待命的狀態，因此每天至少要充一兩次電，隨身攜帶的充電寶儼然成為出門的標配。手機充電時間能縮短，同時待機時間也增加，是不少“低頭一族”夢寐以求的願望。

事實上，除了手機，一些隨身電子產品如運動手表，甚至是電動車，都對儲電量高、充電速度快的電池一直需求龐大。包括香港城市大學（香港城大）科研人員在內的團隊，近期便研發出一種具有快速充放電能力的鋰電池負極材料，有望將電動車半小時的充電時間大幅縮短至三至六分鐘左右，而且材料充放電逾500次仍然保持98.7%的高容量，性能穩定。研究人員相信這個研究成果具有很大的市場價值。

該種能快速充放電的鋰電池新材料，由香港城大物理學系助理教授劉奇博士的研究團隊與內地的科學家成功研發。他們的研究成果早前已在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發表，題為〈Boosting fast energy storage by synergistic engineering of carbon and deficiency〉。

用碳包裹晶粒 提高材料導電性

劉博士先剖析快速充電（fast charging）當中的原理：「材料能快充的關鍵在於快速的電子傳輸（即高導電性），以及鋰離子能夠快速擴散。我們研發的新材料就針對這兩點。」

研究團隊首先利用可控的低溫工程技術，令他們研發的鈦鈮氧材料（Ti₂Nb₁₀O₂₉, 以下簡稱TNO）的每一顆晶粒的邊界，都均勻地被厚度可調整的碳包裹著。研究團隊並就晶粒碳外層的厚度進行測試，結果顯示晶粒被3納米厚的碳包裹時具有最佳的效能。

 

 

TNO充電比石墨鋰電池材料更快

雖然晶粒被碳包裹，但是TNO的結構並沒有被改變。此外，團隊制備TNO的特殊方法亦為材料引入氧缺陷（oxygen deficiency）。劉博士解釋說：「氧缺陷可以提升材料的電子導電性，所以充電可以很快。」當導電性提高，電子會快速轉移並產生熱能，不過劉博士表示，相關的熱能是可控的，不會影響材料的安全性。團隊的實驗結果也顯示，鋰離子更容易在有氧缺陷的TNO中遷移。

由於電子轉移快速以及鋰離子能快速擴散，令晶粒被3納米厚的碳所包裹的TNO具有快速充放電的能力。劉博士進一步說：「這種材料只需要充電三分鐘就能達到197 mAh g⁻¹的高容量，非常快速，比一般已商業化的石墨鋰電池材料更快。」

鋰電池主要由正極、負極、電解液及隔離膜四大部分組成，透過電化學反應產電。劉博士指出，石墨是其中一種已經被商業化的鋰電池負極材料，「但是石墨無法做到快充的效果。事實上，市場上暫時未有負極材料能夠快速充放電，我們研制的這款可快充的TNO負極材料以及相應的機理和方法學研究，對於先進電池材料的研發來說是一個突破」。他相信是次研究成果具有很大的市場應用價值。

快速鋰電負極材料商業潛力巨大    

 

劉博士指出，即使是慢充，這種特制的TNO理論上可以有超過400 mAh g⁻¹的高容量，也比石墨高。他更說："電動車如果運用被碳包裹的TNO作為電池負極材料，半小時的充電時間有望大幅縮短至三至六分鐘左右。"

更重要的是，實驗數據顯示被3納米厚的碳所包裹的TNO的電極表現出優異的耐用性能，在充放電超過500次後容量保持率為98.7%，性能穩定。相比之下，沒有碳包裹的TNO，充放電逾500次後容量保持率只有85.9%。

劉博士指出，被碳所包裹的TNO最大的優勢是可以快充，雖然它比另一種較常見的電池材料二氧化鈦（TiO₂）昂貴，但結構卻比二氧化鈦更穩定。他又表示，團隊所用的碳包裹和引入氧缺陷的材料制備方法，同樣適用於其他金屬氧化物負極材料，並形容是電化學儲能復合材料邊界碳設計的一種突破性方法。

 

劉博士與來自中國科學院物理研究所的研究員谷林博士、浙江大學材料科學與工程學院的夏新輝博士是論文的共同通訊作者。同樣來自香港城大物理學系的博士後研究員朱賀博士為論文其中一位共同第一作者。

針對負極材料的系列式論文發布

 

為了進一步提升相關材料的性能，劉博士及其他研究人員繼續深入研究，最近便發現納米TNO通過螺旋陣列設計，並摻雜了金屬鉻離子後，可以改善電子和離子的傳導，使TNO晶體擁有更加開放的儲鋰結構和更為豐富的儲鋰機制。材料同時擁有更高的電子電導以及更穩定的電極結構，因此全面提升了充放電速率和循環穩定性。團隊以〈Synergy of Ion Doping and Spiral Array Architecture on Ti2Nb10O29: A New Way to Achieve High‐Power Electrodes〉為題寫成論文總結研究成果，並於《Advanced Functional Materials》發表。劉博士是該論文的共同通訊作者之一，朱賀博士為論文共同第一作者。

 

另外，劉博士亦與廣東工業大學的李成超教授等研究人員合作，早前設計出一種溶液燃燒法，能快速合成另一款微米級的鈮基負極材料（Nb₁₄W₃O₄₄）。相對於一般的納米化策略，微米級的電極材料更具商業實用性。實驗結果表明，材料具有優異的循環穩定性和快速充放電能力。同時，以這種材料作為負極與商業LiFePO₄配對後，組裝的全電池可以穩定循環1000圈。研究成果以〈Achieving Ultrahigh‐Rate and High‐Safety Li+ Storage Based on Interconnected Tunnel Structure in Micro‐Size Niobium Tungsten Oxides〉為題於《Advanced Materials》上發表。劉博士與李成超教授是該論文的共同通訊作者，朱賀博士為論文共同第一作者。

電池正極材料具更大商業價值  

劉博士是鑽研鋰電池材料的專家，2018年至今已經發表約30篇論文。雖然上述三項研究成果都是涉及負極材料，但其實劉博士最專長的是正極材料。而他曾經與華為合作，將最為普遍應用的商業鈷酸鋰材料的容量提高，他形容為「具有非常高的商業價值」，因為「正極材料對制作電池更加有用」。他現正努力研究以下三款材料：三元高鎳正極材料、富鋰錳基正極材料以及高壓鈷酸鋰正極材料，希望早日取得重大成果。