技術名稱

石墨烯海綿結構包覆於矽奈米顆粒作為高循環壽命與高電容量鋰離子電池負極材料之應用

技術摘要

能源不管是現在、過去或是未來都是一大議題，除了燃燒石油作為能量來源之外，另尋其他有效能源極變為重要、迫切，同時也需要發展更有效率的儲能技術來應對能量存放及攜帶移動的問題，其中鋰管事離子電池的使用為現今最有效儲存能源的方式之一，被視為發展儲能電源的前瞻技術。對於先進之鋰離子電池，在性質方面有高電容量、高功率、低成本、與高循環壽命等嚴苛要求，以及更重要的安全性考量，將鋰離子電池成功應用以符合未來趨勢的前提為提升鋰離子電池的效能，其中鋰離子電池正負極材料的製作技術與選擇更是直接影響鋰離子電池的性能、成本與安全性。

矽負極材料因其擁有大於石墨約十倍的電容量，已被視為前瞻性之鋰離子電池負極材料，但其最大的限制在於充放電時矽的體積變化率過大，而影響電池的性能。因此本研究將使用微波式電漿增強化學氣相沈積系統在矽材上成長石墨烯奈米牆並藉由掃描式電子顯微鏡、拉曼光譜儀及X-Ray繞射儀分析。結果顯示多層石墨烯的形貌直立於矽粉上如同牆一般，因此稱之為石墨烯奈米牆。矽顆粒上成長石墨烯奈米牆可保護矽過度與電解液反應，且能當作體積變化的緩衝層，並讓矽顆粒破裂後仍能保持良好的導電性。經石墨烯奈米牆包覆之矽所製成的負極，在目前通用之傳統石墨負極理論最高容量372mAhg-1的五倍以上容量2000 mAhg-1的定電容量循環充放電下，能有穩定的超過一百次循環壽命，而未經石墨烯奈米牆包覆的矽負極差、放電容量僅有數十次的循環壽命，就迅速衰退。此外透過電化學分析結果，可顯示本發明石墨烯奈米牆包覆可以幫助矽負極的循環壽命增加，以改善負極材料之使用效能，突破能源產業技術瓶頸。

現有技術描述

1. 使用奈米結構之矽藉以抑制體積變化
2. 使用矽合金取代矽已改善體積變化所造成之問題
3. 使用三五族元素摻雜以增加矽導電度

現有技術問題及其缺陷描述

1. 矽表面形成高電阻質之氧化矽。
2. 奈米結構表面積大，易與電解液快速反應，消耗電解液，造成電容快速流失。
3. 合金的使用因有其他元素會造成電容量下降。
4. 摻雜後雖然電性能提升但無法解決體積變化帶來的問題。

本技術發明目的、所欲解決之問題、能提昇的功效

1. 含氫之電漿etch高電阻質之氧化矽
2. 石墨烯奈米牆可作為緩衝層釋放體積膨脹帶來的應力
3. 為鋰離子及電子提供多重且良好的導電傳遞
4. 保護矽防止與電解液過度反應

適用產業類別

1. 鋰離子電池產業
2. 綠能產業
3. 消費電子業
4. 電動車產業

聯絡窗口

單位名稱：技轉育成中心

聯絡人：林意茵

電話：06-2360524轉11

電子郵件：ainlin@mail.ncku.edu.tw