2015年11月2日

更強更耐久的電池

作者/高憲章(任職於淡江大學化學系,負責「化學遊樂趣」計畫,隨一台行動化學車全臺跑透透,說故事作實驗分享化學給學生們)

這幾年我們挑手機的時候,電池容量是很重要的參考指標,尤其對重度低頭族來說,不只要隨身帶著手機,還要帶著隨身電源到處跑,各種更高效、更環保、更耐久的電池,一直是創新研發的重點,近兩年來更見這個產業的進步,快充、超高容量等各式的電池逐漸進入我們的生活之中。

電力更強、更耐用
鋰硫電池
鋰硫電池是目前最廣受研究的題材之一,鋰硫電池以鋰為陽極,以硫為陰極,在放電時陽極的金屬鋰失去電子而形成鋰離子,陰極上的硫與鋰離子及電子反應生成鋰硫化物(S+2Li++2e→ Li2S),由於這個反應是由硫與兩個鋰離子伴隨著兩個電子的反應,因此鋰硫電池在與一般鋰電池相比,有更高的放電電壓,在相同的重量下,可以儲存更多的電量,除了這些優點,硫比起一般鋰電池電極所使用的鎳、鈷、錳等金屬所造成的汙染相對低非常多,因此鋰硫電池非常有機會成為未來電池的主流,出現在各種電子載具上。

但是鋰硫電池當然也有一些缺點,除了硫本身是個不導電的物質之外,在陰極元素態的硫與溶液態的鋰離子反應時,非常容易形成多硫化物如Li2S8、Li2S6、Li2S4等等,而這些多硫化物,可以溶解在大部分的有機溶劑中,經擴散離開電極表面,這個現象使得硫電極在反應的過程中不斷的快速被耗損,如果這些多硫化物擴散到鋰電極上,就可能反應形成溶解度差的鋰硫化物如Li2S2,這些多硫化物沒有辦法在充放電的循環中很快被還原,因此會造成放電量的大幅衰減。此外,一旦硫電極在氧化還原反應中形成多硫化物時,體積變化相當大,電池在經過幾次的充放電循環之後,造成電極結構崩壞破損。鋰硫電池不論在化學特性或是物理特性上,都有一些問題需要克服。

解決的策略可分為電極和電解質,例如加入醚類來改變電解質,以調整多硫化物的溶解問題,或是改變陰極的材料,例如使用含硫的有機化合物,來改善導電和體積變化。科學家們甚至使用了更尖端的材料,來克服鋰硫電池的問題,他們使用了目前最熱門的材料石墨烯(graphene)以及離子液體(ionic liquid)。......【更多內容請閱讀科學月刊第551期】

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