李庚樺、卓世平、劉偉仁 / 中原大學化學工程學系
隨著攜帶式電子產品與電動車市場的快速擴張，鋰離子電池已被廣泛應用於現代能源儲存系統中。然而，鋰資源的稀少性與成本逐年上升，成為當今發展的瓶頸。相關研究指出，若未有效回收與再利用鋰金屬，當前儲量最多僅能供應全球約65年。此外，在高倍率充放電條件下，傳統石墨負極仍面臨安全性、穩定性與容量衰退等問題。基於此背景，探索具高容量、高穩定性與合適工作電位的替代性負極材料成為研究重點。其中，TiNb2O7 (TNO)因其具備層狀結構、良好理論容量(≈387 mAh/g)與嵌入型機制，成為鋰電池負極潛力材料之一。本文首先就TNO負極進行基本簡介，接著針對TNO鋰電池快充負極材料之電性提升，從表面形貌調控、異原子摻雜、氧空缺調控等方面，回顧近幾年國內外研究最新近況，最後介紹本實驗室對於TNO的電性改善策略，包含燒結溫度效應與Sc3+摻雜比例的系統性探討，同時也將TNO導入全固態電池進行評估測試。
【內文精選】
本研究團隊在TNO的最新研究成果
首先，我們藉由溫度效應探討TNO的結晶度與氧空缺濃度對於電性表現的影響，從圖九(a)中可發現到當燒結溫度過高時會有副反應導致雜相產生，嚴重影響電性表現。從圖九(b)則可以看到在531.5 eV的位置出現氧空缺訊號，並且隨著溫度升高而增加，而此改質方式也使Ti4+被部分還原成Ti3+，從而提高導電性（如圖九(c)）。在EPR圖譜（圖九(d)）也與XPS O 1s有著相同的趨勢，TNO-1200在g = 2.003的位置出現最高的峰值，說明有著最高的氧空缺濃度。在最後電性表現方面，TNO-1200在10C的電流密度下有著166 mAh/g的電容量（如圖九(e)），並且在5C充放電500圈後仍有87%的電容量保留率（圖九(f)），表示透過最適化的燒結溫度條件可有效優化電子傳輸通道與鋰離子遷移動力學，進一步提升整體電極樣品的倍率能力與穩定性。
圖九 溫度效應之(a)XRD圖譜；(b) XPS O 1s；(c) XAS Ti譜；(d) EPR圖譜；(e)倍率性能測試；(f) 5C電流密度下之循環壽命測試
由於鋰全固態電池中，硫化物會與鋰金屬產生副反應，為此，我們研究團隊也嘗試將鋰金屬用TNO來進行取代，希望透過TNO來改進硫化物與鋰金屬反應的問題。如圖十一所示，利用TNO組裝成全電池以探討其電性表現與特性。正極採用NCMA83@LiNbO3作為活性材料，Li3InCl6(LIC)作為固體電解質，輔以導電碳黑(VGCF)和黏著劑(PTFE)；負極採用Sc0.03TNO作為活物，Li6PS5Cl作為固體電解質。在測試條件下，電池在0.7 V~3.3 V的電壓範圍內運行，循環速率為0.1C，維持溫度為55˚C，如圖十一(a)所示。圖十一(b)、(c)和(d)提供了充放電曲線和庫侖效率的數據----以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一 (a)全固態電池組裝示意圖；Sc0.03-TNO全固態電池之(b)循環壽命測試；(c)不同圈數之充放電曲線；(d)不同圈數充放電曲線之微分電容曲線
★本文節錄自《工業材料雜誌》465期，更多資料請見下方附檔。