藉五氧化二鈮獨特化學特性 化學系王禎翰開發高倍率鋰儲存材料
為了追求淨零碳排，世界各國正積極尋找新的替代能源，而「鋰電池」正是電動車與儲能系統的核心動力來源。國立臺灣師範大學化學系王禎翰教授率領研究團隊，透過結合密度泛函理論（DFT）與光譜實驗，藉鋰離子重要的陽極材料H-Nb₂O₅（五氧化二鈮H相）的鋰儲存機制，為高倍率的鋰儲存材料開啟新篇章。
王禎翰教授擅長利用量子力學計算和模擬來研究重要催化反應的機制，專門開發先進功能材料在可充電電池、燃料電池、電化學裝置和自旋電子學應用中的內在特性。而這項研究，源自他在美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的材料科學與工程學院從事的博士後研究。
談起研究淵源，王禎翰笑稱是一段「幸運的巧合」，主要是當年在從事博士後研究期間，與喬治亞理工學院材料系教授建立了深厚的合作關係，直到回臺任教，仍延續這些合作。起初研究燃料電池，後來看到電動車與鋰電池的發展趨勢，便轉而思考陶瓷材料能否應用在這一塊。
「若把鋰離子電池的陰極、陽極，想像成是兩間旅館，這些鋰離子在充放電之間，就像住客一樣來回移動。」這次的研究主角H-Nb₂O₅（五氧化二鈮H相），具有Wadsley-Roth剪切結構，它的晶格排列特別適合鋰離子的「進出與安置」，既能夠穩定承載鋰離子的進出，也不容易破壞材料本身，還能提供良好的電子導電性，是製作高倍率電池（可快速充電放電）的理想材料。
這次研究，王禎翰的研究團隊利用DFT計算深入模擬從Li₀.₁Nb₂O₅到Li₁.₀Nb₂O₅的過程，揭示鋰離子進入晶格後所產生的電子分布變化與結構反應。研究指出，初期吸附的鋰離子會釋放電子至Nb的d軌道中（如dxy、dyz、dzx），也使得材料在電性上逐漸從絕緣體變為導體，而在鋰吸附後，能隙明顯縮小，顯示材料已具備導電能力。
除了開發以H-Nb₂O₅（五氧化二鈮H相）為主體的新型態材料，該研究也應用少見的實驗方法。傳統上，探討鋰離子在材料中行為，常依賴昂貴的同步輻射或核磁共振儀器，但該研究選擇了更為平易近人的「拉曼光譜」，不僅降低實驗成本，也提供更普及化的分析路徑。不過，王禎翰說，拉曼訊號多，較不容易分析且精準度不足，但藉由振動態密度（VDOS）的模擬，將混亂訊號抽絲剝繭，成功對應到結構中的特定鍵結和振動模式。
鋰離子應用範圍廣，至今仍是熱門研究領域。王禎翰表示，小則手機、電腦，大則汽車、機車，生活處處都有鋰離子的應用存在。不過，學校做的研究仍屬於基礎研究，開發材料也是不斷地「try and error」，在不同嘗試中發現新的系統與材料，再回頭尋找相關文獻，藉以開發新技術與新材料。
談及進階研究空間，王禎翰說，該份研究仍屬於基礎研究，後續可就氧化鈮材料進行延伸變化。他舉例，可將鋰原子改為其他元素，試圖修正其對鋰離子的作用；或當晶格出現缺陷，可能也要調整化學計量，改變這個材料的組合與結構，創造出符合研究者想要的特性。（撰文：公共事務中心）
原文出處：Li, T., Huang, S., Kane, N., Wang, J. H., Luo, Z., Zhang, W., Nam, G., Zhao, B., Qi, Y., & Liu, M. (2023). Operando Raman and DFT Analysis of (De)lithiation in Fast-Charging, Shear-Phase H-Nb₂O₅. ACS Energy Letters, 8(7), 3131-3140. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01031
王禎翰 教授 | 化學系
畢業於國立臺灣大學理學院化學系，並取得學士與碩士學位。之後在美國埃默里大學（Emory University）獲得化學博士學位。隨後在美國的喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的材料科學與工程學院從事博士後研究。他的研究是利用量子力學計算和模擬來研究重要催化反應的機制，闡釋出先進功能材料在可充電電池、燃料電池、電化學裝置和自旋電子學應用中的內在特性。
[資料來源：師大新聞]
