【2025年04月26日訊】（記者吳瑞昌綜合報導）隨著電動車、大規模儲能系統（ESS）等領域對於鋰電池需求快速增長。韓國的研究團隊開發出了一種硬碳-錫做的複合陽極材料，適用於鋰電池和鈉電池。讓它們擁有快速充電、更高的穩定充放電循環，與高能量密度的優點，有望滿足當今世界對於電池性能的要求。
目前石墨是鋰電池（LIB）中最常見的陽極材料，因其結構穩定而被廣泛應用。不過，石墨電極的實際電池容量要低於理論（372mAh/g），且在惡劣的充電條件下（例如低溫），整個的充電速度會出現快速下降的問題。
此外，緩慢的電化學反應容易導致鋰離子在石墨陽極上沉積，從而引發整個電極退化和損壞電池完整性，最終產生嚴重的安全隱患。目前世界多數使用鋰電池的產品，正面臨這種電池安全、低溫充電速度緩慢的問題。
為了克服和改善傳統石墨陽極的問題。這次，韓國浦項科技大學（POSTECH）與韓國能源研究所（KIER）的研究團隊，聯合開發出一種將硬碳-錫（Sn）結合的新型複合陽極材料，使鋰電池和鈉電池獲得快速充電、更多的快速循環充放電次數，與更高電池能量密度的能力。
他們將石墨改成硬碳，硬碳是一種無序碳材料，擁有豐富的微孔和通道，有利於鋰離子、鈉離子在硬碳中快速擴散，從而提高能量存儲、強化機械強度與提升電池的使用壽命和充電速率。
他們還選用錫金屬，原因是錫顆粒越小越能有效減輕電池循環充放電過程中電極材料體積逐漸膨脹的問題。
然而，實驗人員發現加入錫金屬時帶來了另一項挑戰。由於錫的低熔點（230°C）使其難以合成細小顆粒。幸運的是，實驗人員採用溶膠-凝膠工藝處理錫金屬，並分別透過500°C、700°C、900°C溫度熱還原錫，成功將10奈米（nm）左右的錫顆粒均勻鑲嵌於硬碳基質材料中。
這種硬碳-錫複合陽極材料，不僅讓錫奈米顆粒充分成為活性材料，還能在硬碳中起到催化其它金屬的作用。其核心在於錫氧鍵（Sn-O）在電化學循環過程中促進錫與鋰、氧與鋰的氧化還原反應，最終形成一個具有高度可逆性、高轉化效率的鋰電池。
為了測試該電極在鋰電池中產生的作用，研究人員進行了循環充放電測試。結果顯示，經過700°C熱還原的硬碳-錫電極表現最佳，能讓整個鋰電池實行高電流快速充電，且在快速充放電1,500次後依然保持穩定。此外，該電極的體積能量密度，是傳統石墨電極的1.5倍。
另外，他們還將該電極應用於鈉電池（SIB）上進行測試。結果顯示，鈉電池整體表現要略低於鋰電池，原因與鈉電池中的氧化鈉（Na2O）本身具有電化學不可逆性有關，但整體表現仍優於傳統的鈉電池。
這項鈉電池測試，是為了改善和檢驗過去鈉離子與石墨、硅等傳統陽極材料，反應性差的問題。
這項研究結果於3月發表在《美國化學學會奈米》（ACS Nano）雜誌上，獲得了韓國貿易、工業和能源部以及科學和資訊通信技術部的資助。實驗人員表示，這項研究成果代表這種高功率、高能量、長壽命的硬碳-錫電極可用於多種充電電池平台，展現出下一代鋰電池和鈉電池的應用潛力。
韓國浦項科技大學的樸秀珍教授（Soojin Park）對該校的新聞室表示，「這項研究代表了下一代高性能電池發展的新里程碑，有望應用於電動車、混合動力系統和電網規模儲能系統等領域。」
韓國能源研究所的崔成浩（Gyujin Song）博士則補充道，「這種陽極同時實現高功率、穩定性和能量密度，並兼容可充電鈉電池系統，將為電池市場帶來巨大潛力。」
