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美國研究人員最近採用液相合成法及工業相容的漿料塗佈技術，製作出一種具奈米結構的新穎三元電極。該電極是由矽奈米微粒、導電性聚合物水凝膠和奈米碳管(carbon nanotube, CNT)所構成，性能表現相當優越，在3.3 A/g的電流下經歷1000次充放電後，其可逆放電電容量(reversible discharge capacity)超過1600 mAh/g，可望供超高效能鋰電池作為陽極之用。
德州大學奧斯汀(Austin)分校的Guihua Yu團隊利用全液相合成技術製作此Si/PPy/CNT三元電極。研究人員先混合兩種溶液：第一種水溶液含有導電聚合物單體及作為交聯劑的植酸(phytic acid)；第二種溶液中的過硫酸銨則作為引發劑。接著再加入市售矽奈米微粒及奈米碳管於此混合物中。引發劑會啟動聚合反應，在矽表面上產生塗層並形成3D水凝膠網路。經過10分鐘的反應後，得到的漿料即可用來塗佈銅質集電器以製作電池陽極。
矽是優秀又便宜的鋰電池陽極材料，理論電容值高達4200 mAh/g，比目前常用的石墨陽極高十倍。然而，矽在電池充放電時因體積縮脹變化達400%而容易破損，導致循環壽命非常有限。奧斯汀團隊的電極結構具有3D導電多孔性基質，可供矽材料伸展，而形成於矽奈米微粒表面的20 nm厚聚合物膜則使電極材料更為穩定。Yu表示，這種二元複合材料本身已相當穩定，添加少量奈米碳管則可進一步提升效能，譬如更佳的電容及循環能力。這是因為碳管為絕佳導體，它們會包覆漿料中的矽微粒和聚吡咯(polypyrrole)纖維，並強化此複合電極的機械性質。
尤有甚者，此全液相合成方法與目前電池製造技術相容，因此應可大量生產。這種電極可望應用於能量儲存密度更高、循環壽命更長的次世代鋰電池，以因應儲能需求日益增加的隨身電子產品及電動車等。此電極設計亦可用來製作其他合金類高電容陽極材料，像是鍺、錫和氧化錫，而此新穎概念更可推廣至許多其他電化學裝置，如超級電容和生物感知器等。
此團隊目前正在研究此三元電極之電化學性質，以求更佳瞭解質軟的聚合物和堅硬的矽微粒間的介面情形。他們也計畫探討在電池充放電過程中，電化學介面的即時演變過程。詳見Nano Letters ｜ DOI: 10.1021/nl401880v。 |