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淺談鋁電池

生活科學趣談

先來看一則新聞
手機一分鐘充飽!可折戳不壞的新型電池 – 自由時報發布於2015年4月7日
史丹佛大學開發的這款鋁電池電壓為1.69V,乍看之下似乎沒什麼,因為中學生在化學實驗課所做的鋁空氣電池就能做出比這還高的1.8V

該研究團隊說目前這種鋁/石墨電池的能量密度約40瓦時/公斤

這看來似乎也不高,因為二年前Phinergy 與美國鋁業公司Alcoa就已經開發出一款使用在電動車上的鋁空氣電池,其能量密度那時就已經達到300瓦時/公斤

不過,鋁空氣電池的缺點就是很難充電,因此大多做為一次性電池使用。也就是說,我若開著這台使用鋁空氣電池的電動車外出旅遊,等這顆電池在跑完330公里之後,不是找插頭充電而是要更換鋁板,這樣就太不實用了。至於新聞中的這款鋁/石墨電池,它不僅能充電,而且是【在iphone等使用鋰電池的手機上,需要1個小時才能完成的充電量,若手機改用這款鋁離子電池,那麼只要1分鐘即可充飽電】,這種超快充電的特性就是它最大的優勢。

至於這種鋁離子電池與傳統鋁空氣電池的差異性,先來看看鋁空氣電池↓
陽極(負極)氧化半反應:aab-01-22-05-14
陰極(正極)還原半反應:aab-02-22-05-14
全反應:                          aab-03-22-05-14

aluminum-air-battery
由於需要從外界汲取氧氣來參與反應,所以鋁空氣電池不是一個密閉的系統。

至於鋁離子電池,它則是一個可循環的密閉系統↓
nature14340
圖片中陽極材料是以紅色表示的金屬鋁;圖片右側的灰色物則是當作陰極的石墨,不過在它層狀結構中可以卡進帶負電的四氯化鋁離子。電解質則是使用氯化鋁 / [EMIm(氯鋁酸鹽陰離子)]氯離子液體的組合物。在放電過程中,陽極側的金屬鋁和四氯化鋁離子形成Al2Cl7的離子(逆反應即為充電)。在陰極側,放電時主要是四氯化鋁離子從石墨層間脫嵌(充電則是嵌入)

這款鋁離子電池之所以能快速充電,是藉由石墨優良的導電性能和三維空間所具有的巨大表面積來達成,因此能夠極大的縮短電池之充電時間。使離子的擴散和插層能在充電的1分鐘內,電流密度就高達約4000mA/g,並在7500次的充放電循環後僅有2%的電容量衰退。同時它也具有低成本、低可燃性(使用不易燃的離子液體電解質)和電解產生的離子液體無毒等優點。另外,由於鋁原子為三價金屬,因此就比一價的鋰電池或是二價的鎂電池更具有高容量的蓄電能力。在過去的研究工作中,其實有不少團隊遇到正極材料解體、放電電壓過低、循環壽命不足(少於100個充放電循環)、蓄電量快速衰退(100個循環有26%~85%的衰退)等問題 ,因此在過去30年中可充電鋁電池始終處於概念階段。

目前在日常生活中使用最頻繁的是鋰電池,但鋰電池容量低、壽命短(循環壽命一般為300次,鋁電池循環7500次後容量幾乎沒衰減),且存在高溫、碰撞等條件下容易自燃或爆炸等巨大安全隱憂,因此高容量和安全的可充電鋁電池一直是科學界致力研究的重頭戲。如今史丹佛研究團隊解決了鋁電池在材料上的瓶頸問題,雖然現在的能量密度還不高,不過假以時日,相信鋁離子電池不僅可以使用在手機等小家電上,還將在電動汽車等容易產生劇烈碰撞與高溫的地方取代目前的電池。

資料來源:《Nature》雜誌