取代鋰離子電池?鹵素離子電池或是海水電池能否掀起熱潮引領風騷?

 

刊登日期:2025/1/5
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王復民 / 臺灣科技大學應用科技研究所
 
鋰離子電池商業化發展至今已有近35年的歷史,諸凡從消費性電子產品至電動車與大型儲能櫃等應用,都看得到這項史上最成功電化學品的蹤跡。然而因應疫情後鋰離子電池主要原料價格波動過大、礦產的缺乏、全球戰略政治因素擾動以及環境污染議題的發酵,所謂「後鋰離子電池」(Beyond Lithium)的思考也逐漸在產業或是學術界中開始動工。其中,以水性電池為思路的方向成為一個考量,這項技術的發展包括:海水電池、鹵素離子水性電池以及鹵素離子有機溶劑電池等,都具有用來取代傳統鋰離子電池的可能。本文將從前述三個新興二次電池系統的發展演進、技術層面的剖析以及目前為何尚無法達到商業運作的角度來做說明,期望藉由這樣的探討啟發大家對於下一世代二次電池發展的動力與熱忱。
 
【內文精選】
水性電解液鹵素離子電池
水性電池顧名思義即是利用水作為溶劑來配置電解液系統而成的二次電池,然而在氟離子電池的研究上,常用的電解質為氟化鉀(KF)。但事實上,氟離子在水溶液的電化學穩定性不佳,不比有機溶劑的功能,這使得水性氟離子電池的應用性大幅下降。不過在一些文獻中可以看到一些解決方案,如圖三(a)所示,有學者採用1 M氟化鉀電解液來搭配普魯士藍(Prussian Blue; PB)陰極與氟化鉍(BiF3)陽極測試其電池性能。結果指出,整體全電池可達到≈100 mAh/g的電量,並且有將近100圈左右的循環壽命穩定性,看似電量不若理論值甚至不比鋰離子電池。此篇文獻特別分析鉀離子與氟離子的關係,因為這是一款雙離子電池,因此鉀離子在電池放電之時會與普魯士藍作用,而氟離子會與氟化鉍作用。然而氟離子參與在氟化鉍的氧化還原反應時,三價鉍離子(Bi3+)與元素鉍(Bi)的轉換容易產生巨大的體積膨脹,所以並不適合以太高氟離子濃度的電解液作為配合,但是下降氟離子濃度亦會下降整體電池容量,因此這是一個棘手的問題,需要有一界面層的改質來讓電池穩定性提升。如圖三(b)所示,學者利用Bi7F11O5來做界面層,減少電解液的氟離子參與氟化鉍的氧化還原反應,結果將使得電池壽命得以拉長至1,000圈的循環圈數,這也是學術研究上目前能夠運作最長壽命的氟離子電池。
 
圖三、(a)以普魯士藍陰極與氟化鉍陽極的氟離子電池循環壽命測試圖;(b)以普魯士藍陰極與改質氟化鉍陽極的氟離子電池循環壽命測試圖
圖三、(a)以普魯士藍陰極與氟化鉍陽極的氟離子電池循環壽命測試圖;(b)以普魯士藍陰極與改質氟化鉍陽極的氟離子電池循環壽命測試圖
 
海水電池
2. 淡化去鹽海水電池
除了直接使用海水中的鈉離子作為陰極反應之外,另一個可能性即是利用鈉離子與氯離子作為在兩電極的反應,透過陰/陽極材料的設計,可以產生雙離子氧化還原反應作用,此稱之為雙離子電池系統(Dual Ion Battery; DIB)。
(1) 雙離子電池系統
如圖十三(a)所示,脫鹽海水電池的反應機制可分成四個階段,分別是針對海水內的離子數量(即電荷數量)與電池電壓的關係。第一階段為透過電容去離子化反應或是化學轉換反應(Conversion),將海水中的鈉離子與氯離子分別透過電化學反應捕捉於兩電極材料表面,這使得海水中的離子數量大幅減少,即圖十三(b)的X軸q值的下降,此時海水因為被脫鹽的關係呈現為淡水甚至清水的可能,這個階段是另一個重要的議題,即淡水或是飲用水的應用,因此會將此淡水移除。第二階段為將新鮮海水再注入已移除淡水的脫鹽海水電池槽中,這時因為海水具有原始鈉離子與氯離子數量,又因為兩電極皆都吸附滿鈉離子與氯離子,所以電池電壓可大幅上升,即圖十三(b)的ΔE上升;綜合第一與第二階段的程序,可以稱為海水脫鹽電池的充電反應。相反地,第三階段將兩電極所吸附的鈉離子與氯離子釋放進入海水電解液槽當中,這將使得電解液槽的濃度大幅提升,可稱之為鹵水或是高濃度海水(Brine Solution/ Concentrated Solution),這時代表圖十三(b)的X軸q值的上升。第四階段為將鹵水從電子液槽移除,重新再注入新鮮的海水作為電解液,此時電池電壓下降,即圖十三(b)的ΔE下降;綜合第三與第四階段,可稱之為海水電池的放電程序 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十三、(a)海水脫鹽電池的充放電反應機制;(b)電池電壓與海水電解液電荷數量關係圖
圖十三、(a)海水脫鹽電池的充放電反應機制;(b)電池電壓與海水電解液電荷數量關係圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》457期,更多資料請見下方附檔。

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