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木虫之王 (文学泰斗)

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[交流] 【其他】多功能基因架構之高功率鋰離子電池

多功能基因架構之高功率鋰離子電池 2010/3/25 [ [url=

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利用病毒基因技術組裝奈米鋰電池材料複合奈米導電碳，以提高其材料的放電功率，是目前相當新穎的技術，此技術是藉由對病毒進行基因改造增?娖洳牧系膶щ姸取� MIT的學者使用M13噬菌體經過雙基因改造，使一端的基因可做為生成磷酸鐵奈米線的基板，另一端則具有生化特性吸附單壁奈米碳管，造成磷酸鐵材料上均勻分布SWNTs，再將其高導電性的磷酸鐵材料製備成電極，?K組成半電池驗證其電性，具有高功率特性與良好的循環壽命，其電性比無奈米碳管的奈米磷酸鐵更佳，甚至比目前磷酸鋰鐵正極材料的電性具有更佳的功率密度與克電容量，此生化技術製備鋰電池材料，將有利於未?�3C材料與電動車的應用。
架構磷酸鐵奈米線至SWNTs
M13噬菌體是一種具有非常特殊宿主細菌的病毒，透過簡單的化學方法逐步加入FeCl3與Na3PO4，形成磷酸鐵奈米線(a-FePO4 Nanowire)，含有磷酸鐵奈米線的M13噬菌體，其末端具有修飾過的pIII發散縮氨酸，很容易吸附在SWNTs 上，如圖三所示。分別將MC#2、MC#1、M13KE三種M13噬菌體與SWNTs進行構裝，形成EC#2、EC#1、E4三種材料，由於三種M13噬菌體進行改質程度不同，導致吸附在SWNTs的能力也不同。利用TEM觀察有修飾過的pIII發散縮氨酸(EC#2)架構磷酸鐵奈米線至SWNTs上，如圖四(a)所示，每一條磷酸鐵奈米線是被SWNTs 分散開?怼６谏形醇尤肓姿徼F奈米線前，乾淨的SWNTs為樹枝狀的奈米碳管，如圖四(b)所示。利用HRTEM (High Resolution TEM)進一步觀察，具有條列的結構為SWNTs，左上端為非晶相的磷酸鐵，如圖四(c)所示。含有磷酸鐵奈米線的M13KE，其末端沒有修飾過的 pIII發散縮氨酸，則不容易均勻吸附在SWNTs上，圖五(a)磷酸鐵奈米線的M13KE自聚一團，而未經過修飾的pIII，則無法均勻吸附在 SWNTs上，如圖五(b)與(c)所示，證明末端的pIII發散縮氨酸需經過修飾才能吸附奈米碳管。

圖三、(a)磷酸鐵奈米線加入SWNTs；(b)利用M13噬菌體的末端具有修飾過的pIII 發散縮氨酸吸附在SWNTs 上

圖四、(a)有修飾過的pIII發散縮氨酸MC#2架構磷酸鐵奈米線至SWNTs上；(b)乾淨的SWNTs TEM圖；(c)高解析度的磷酸鐵奈米線與SWNTs TEM影像包含SWNTs的電子繞射圖證�?其結構，左上角則為非結晶相的磷酸鐵
磷酸鐵奈米線之電化學測試
以磷酸鐵奈米線製備正極極板，包含Super P碳黑與Polytetrafluoroethylene (PTFE)束縛劑（奈米線：碳黑：束縛劑＝70:25:5），鋰金屬為負極，加上Celgard的隔離膜，溶劑與電解質分別為EC + DMC和1M LiPF6而組成電池，如圖六(a)所示，將其接在LED燈上，LED發光即驗證有電流通過。圖六(b)所示，0.1C電流驗證其克電容量約有165 mAh/g，以達理論克電容量的93%，在1C的放電電容量為110 mAh/g。生化奈米構裝後的磷酸鐵奈米正極材料，其電性已優於之前使用高溫製成的奈米磷酸鐵正極材料。
然而，當形成磷酸鐵奈米線正極材料時，會使Ag NPs經過氧化氯化而導致AgCl粒子生成，如圖七(a)所示，由X-ray繞射(X-ray Diffration; XRD)證�?其存在，特別是在幾個循環壽命測試後，AgCl會經由電化學還原形成Ag粒子，如圖七(b)所示。使用Direct Current Plasma Atomic Emission Spectroscopy (DCP-AES)分析約有5.3%導電銀金屬顆粒覆蓋其上，但是其導電性仍不優於磷酸鋰鐵，需藉由SWNTs改進磷酸鐵奈米線E4正極材料的導電性，特別是利用架構磷酸鐵奈米線至SWNTs上，藉由生化建構的優點，將不易分散的兩種奈米導電碳材與奈米導電活性均勻建構形成E4、EC#1與EC#2三種複合SWNTs正極材料。其電性如圖八所示，利用0.1C放電電流驗證其克電容量，E4、EC#1與EC#2三種複合SWNTs正極材料所製成的半電池克電容量分別為140 mAh/g、160 mAh/g與170 mAh/g。更高C-rate的放電電容量可達到更高的功率放電容量，在3C放電下的電容量分別為100 mAh/g、116 mAh/g與134 mAh/g。EC#2的複合SWNTs正極材料在10C放電下，其電容量甚至達130 mAh/g，材料功率可達到4,000 W/kg。生化奈米構裝後的EC#2複合SWNTs磷酸鐵奈米正極材料，其電量與功率已優於目前普遍使用的奈米磷酸鋰鐵正極材料……以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文