Vibrational and electrochemical studies of pectin - a candidate towards environmental friendly lithium-ion battery development
本所訪問學者Phillip Wu (吳孟真)博士與他在國立台北科技大學的同事，推動、協調陳彥龍博士和吳茂昆博士的研究小組，並與國立東華大學的鄭嘉良教授合作，最近完成一篇題為“果膠的振動和電化學研究 — 朝環境友善之鋰電池發展的理想材料”已被 PNAS-Nexus 接受發表。我們相信這是台灣科學家在今年三月啟用的PNAS-Nexus上發表的第一篇學術論文。
這項工作描述了一種製造果膠薄膜的方法，包括純的和摻雜鐵 (Fe) 的果膠，並探索了它們在鋰離子電池應用中的潛力。鐵摻雜增強了以電化學阻抗譜 (EIS) 中觀察到的電導率，我門從果膠的磁性測量確定了正三價鐵 (Fe3+) 的證據。以果膠作為粘合劑製備的鋰離子半電池，用於石墨等負極材料，與使用 PVDF 作為粘合劑製備的電池相比，其比容量略高，表現出較長且穩定的循環壽命。在具有果膠粘合劑的電池中觀察到在高充電速率 (C-rate)下呈現充電比容量增強(如圖1所示)，這表明在一定充電速率 (~5C) 內，果膠-石墨陽極在更快的充電速率下表現出更高的容量。當放置在電極中時，它會改善材料的彈性性能、材料夾雜物並從根本上影響傳輸機制。在果膠中結合鐵可提高容量並保持快速充電性能。這項工作表明，果膠由於其可生物降解和無毒的特性，已成為鋰離子電池在環保回收過程中應用的一種有吸引力的材料。
圖 1. 以PVDF、果膠和果膠:Fe為粘合劑的石墨半電池在不同充電速率下的比容量。插圖是 PVDF 和果膠粘合劑的循環壽命測試。結果表明，使用果膠或果膠-Fe 粘合劑時，比容量在充電速率高於1C 時會增強。
圖 2. 結合電化學阻抗譜(EIS)與弛豫時間分佈(DRT)分析，詳細研究鋰化和脫鋰條件下所有樣品的離子傳輸。峰值 S1、S2 和 S3 的位置分別對應於表面膜電阻和電極/電解質界面電荷轉移電阻。DRT分析證實鋰化過程與粘合劑相關。石墨-鐵摻雜的果膠樣品的總阻抗要低得多，表明更好的導電性和電荷轉移機制。總體而言，我們可以確認 Fe 的存在促進了電荷轉移過程和電子導電性。
期刊連結: https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgac127