新穎鎳-硫複合儲能材料予商用化高能量密度鋰硫電池

學研新創 - 環境科技與能源應用

2022-12-22

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鍾昇恆助理教授/國立成功大學材料科學及工程學系

鍾昇恆

本學研新創項目呈報一新穎鎳-硫複合儲能材料及其製程設計、運用其研發之高硫載量電極，與運用其開發之高能量密度寡電解液鋰硫電池，整合一系列材料、化工、電池，與儲能領域拔尖之學研成果。鋰硫電池係第三代商用可充電電池首選，為推廣其高能量密度與解決新型電化學反應之不穩定性，本項目開發新穎鎳-硫複合儲能材料，具一鎳金屬殼包覆硫核心之獨特奈米結構，外層鎳金屬殼骨架可快速傳導電極中之電荷並抑制液態多硫化物流失；此結構亦可運用鎳金屬之高導電性、化學性多硫化物吸附力，與電催化活性，大幅優化儲能材料之電化學性能，附加整合新穎無電鍍鎳技術於儲能領域，已實現高活性物質載量電極於首個搭載高能量密度鎳-硫電極之寡電解液鋰硫電池，展現現有最高的高硫含量與載量達60-95 wt%與10-14 mg cm-2 (一般研究僅50-60 wt%與1-3 mg cm-2或更低)，實現寡電解液電池設計達電解液對硫比僅7 µL mg-1 (一般研究則高於20 µL mg-1)，並於此嚴苛的電池製作參數下表現高實際電容量達7–14 mA∙h cm-2 (高於電動車電池所需之2–4 mA∙h cm-2)、高能量密度達到13–28 mW∙h cm-2 (優於商用鋰離子電池電極之10–14 mW∙h cm-2)、快充快放倍率特性達C/20-C/2，與長循環穩定性。學研成果已獲國內外新聞報導其商用契機，並有多國專利佈局。

評審推薦

1.開發鎳-硫複合材料及製備方法，掌握最佳化設計參數，展現高能量密度、快充快放以及長循環穩定性等特質，可提升鋰硫電池性能。
2.可解決硫電極低反應性及快速物質流失性的限制，有助於其應用於車用儲能電池。
3.鎳-硫複合奈米粉末及無電鍍製程技術已達成雛型品驗證，相關尺寸放大與智財佈局已經有所規劃。

2025年度精進成果

本國家新創精進申請案聚焦於「無電鍍金屬殼核硫儲能材料」技術開發與實用，其係基於團隊國家新創獎項目「新穎鎳-硫複合儲能材料予商用化高能量密度鋰硫電池」，將核心技術擴展到多種新金屬無電鍍殼核硫儲能材料(錫、鐵、錫/鎳雙金屬、無電鍍金屬碳等)，技術創新性不僅體現在材料設計上，進一步延伸至完整製程優化實現批量化大電極刮刀製程；擴大電池應用衍生寡電解液半乾電極、準固態鋰硫電池，與全固態電池；完善專利規劃衍生3項國內外專利獲證，與另外7項國內外專利獲證與5項申請中專利，環繞核心專利實現完整專利佈局。本技術為全球首創導入自催化無電鍍製程應用於硫正極材料，突破傳統粉體修飾與導電結構限制，實現具備高導電性、多硫化物吸附，與電催化能力的金屬/硫複合材料，已發表領先技術於多篇高影響力期刊並獲得多國專利支持，展現深厚的學術創新價值與初期技術成果。研究成果已在多種高性能鋰硫電池系統中驗證技術領先性，具備高硫含量(70/80-95 wt%)、高硫載量(10-30 mg cm-2)、低電解液對硫比(4 µL mg-1)等優異電池製程參數，並展現高能量密度(10-30 mWh cm-2)、高倍率(C/10-1C，約1675 mA g-1；鋰離子電池1C的10倍)、低電解液對電量比(4 µL mg-1)，與長循環壽命(達500週)，整體性能大幅超越目前國際主流研究與商用技術標準。藉由專利技術與優異性能，研發團隊現為鋰硫電池領域世界第4，前0.02%的頂尖隊伍。

團隊簡介

鍾昇恆
學歷	Ph.D.
現職	國立成功大學材料科學及工程學系助理教授
經歷	2019-2022 助理教授國立成功大學材料科學及工程學系 2016-2019 副研究員 the University of Texas at Austin, Texas Materials Institute 2015-2016 博士後研究員 the University of Texas at Austin, Materials Science and Engineering