制造更好的可充电锂离子电池
科技学院，吕晓莹博士
锂离子电池 (LIB) 的高储电能力 (技术上称为「能量密度」)、可充电性和较长的寿命，使 LIB 被广泛应用於便携式电子设备，例如智能手机、数码相机和笔记本电脑。LIB在电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 中亦有璀璨的应用前景。以 EV 和 HEV 取代用化石燃料驱动的车辆可以显著地减少空气污染。然而，目前的 LIB 技术只容许 EV 在电池被完全充电一次后行驶一段相对短的距离。EV 每次充电的续航距离约为 200 公里，化石燃料汽车的续航距离则为 500 至 600 公里，这样大的差距可能会削弱公众转用 EV 的意愿。
吕晓莹博士和她的研究团队研究提高 LIB 的能量密度的方法，其中包括探索改变 LIB 的构成材料。传统的 LIB 是由一种名为「石墨」的碳化合物制成的。吕博士将石墨的性能与一类名为「过渡性金属氧化物」(TMO) 的材料进行了比较，发现 TMO 的能量密度明显高於石墨。石墨的比容量约 372 mAh g-1，而氧化钴 (一种 TMO ) 的比容量却可高达890 mAh g-1。
图1. (a) 石墨 (b) 过渡性金属氧化物
此外，研究团队发现改变 LIB 构成材料的结构排列会影响能量密度。例如，海胆状结构 (技术上称为「佳丽兰状」结构) 胜过矩形或六边形结构。因此，TMO 材料中若存在微/纳米结构，可以提高 LIB 的能量密度和循环寿命。
图2. 产出微/纳米结构MnCo2O4.5用作电池材料
在实验室里，研究团队开发了比传统石墨材料容量高 2 至 3 倍的 TMO 材料。研究工作将 TMO-LIBs 驱动的 EV 的潜在续航距离发展到可媲美化石燃料汽车，这使 EV 成为对驾驶者有吸引力的选择。
图3. 电池性能测试显示高面积容量、出色的倍率性能和较长生命周期