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未來的電池特輯:(三) 鋁離子電池

關鍵字:電池鋁離子電池
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科技產業資訊室 (iKnow) - 陳姿穎 發表於 2015年10月1日
隨著半導體製程的演進,元件可以越做越小,也促進了可攜式電子產品的發展,在這樣的潮流下,電池除了針對效能做突破外,可撓式的電池會是因應此趨勢很重要的發明。

在今年(2015年)的4月16號,史丹佛大學(Stanford University)在Nature發表了鋁離子電池(Aluminum-Ion Battery)的研究成果 [2],以鋁離子為基礎材料的二次電池,成品圖為圖一 [1],提供了低成本、低易燃性,且具有three-electron-redox使之有較高能量密度。三十年來,對於鋁離子電池的研究常遭遇到以下問題:使用一段時間後正極材料碎裂、電池放電電壓過低(0.55V,[3])、電容行為不穩定(1.1-0.2V或1.8-0.8V)、電容壽命過低,在100個循環(cycle)內下降程度廣為26-85%、以及其循環壽命(cycle life)小於100週期等。
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在此研究中,鋁離子電池的負極材料為鋁(Aluminum)、正極材料為石墨(grapgite),圖二為鋁離子電池放電反應示意圖,工作原理是藉由電池內部負極鋁離子往返正極石墨材料之間的反應產生電能,電解液使用具不可燃性質的離子液體。放電電壓可達2V、能量密度70mAhg-1、庫倫效率(Coulombic Efficiency,CE,電池放電量與同循環過程中的充電量比)為98%、在電流密度為4000mAg-1的條件下,充電速度可快達一分鐘以內,且循環壽命高達7500次。

在此研究的設計上,正極材料為3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型態,且厚度很薄(~17um)能維持整體的可撓性,如圖二所示,此結構具有足夠且均勻的孔隙利於離子通過,並加快鋁離子在正負極之間往來的速度,提升反應速率、降低電池內阻,此正極材料正是使鋁離子電池能追上鋰離子電池的重要因素。且負極材料用的是可撓式的鋁箔(~15-250um),能使鋁離子電池的實際應用範圍更廣泛。

鋁離子電池的規格相較過往有大幅的進展,並具備鋰離子電池沒有的優點:鋁離子電池的循環壽命7500次遠高於鋰離子電池的1000次、每個鋁離子攜帶電荷是鋰離子的三倍、鋁材料較鋰材料便宜、鋁箔可撓等。然而,鋁離子電池提供的電壓離日常多數電子產品所使用的5V還有一段距離,電池容量也尚未達到鋰離子標準(約為鋰離子電池的三分之一)。

「未來還有很多要改進的地方」研究者如是說 [4],未來將先改進負極材料(鋁),以提升能量效率,而在產業發展中,鋁離子電池所具備的優點,在研究者們不斷改進電池效能後,將具備量產的可能性。(720字;圖3)

圖一、史丹佛大學所研發的可撓式鋁離子電池;
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圖二、鋁離子電池放電反應示意圖;
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圖三、正極材料為3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型態
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參考資料:
[1] John Voelcker,” Aluminum-Ion Battery Cell Is Durable, Fast-Charging, Bendable: Stanford Inventors (Video)“ ,Green Car Report,2015/04/08,http://www.greencarreports.com/news/1097684_aluminum-ion-battery-cell-is-durable-fast-charging-bendable-stanford-inventors-video
[2] Meng-Chang Lin, Ming Gong, Bingan Lu, Yingpeng Wu, Di-Yan Wang, Mingyun Guan, Michael Angell, Changxin Chen, Jiang Yang, Bing-Joe Hwang, and Dai. "An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery" Nature, 520, 324-328, 2015.
[3] Jayaprakash, N., Das, S. K. & Archer, L. A. The rechargeable aluminum-ion battery.
Chem. Commun. 47, 12610–12612 (2011).
[4] MARK SHWARTZ,"Aluminum battery from Stanford offers safe alternative to conventional batteries",Stanford News,2015/04/06, http://news.stanford.edu/news/2015/march/aluminum-ion-battery-033115.html


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