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未來的電池特輯:(四) 鎂離子電池

關鍵字:電池鎂離子電池
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科技產業資訊室 (iKnow) - 陳姿穎 發表於 2015年10月1日
2015年6月1號, Green Car Congress等各大相關網站,均刊登了一篇與鎂離子電池相關的新聞:"豐田汽車研究團隊發表了最新具突破性的高能量鎂電池的電解質技術 (Toyota Research team reports significant advance in electrolytes for high-energy Mg batteries) [1]”,由豐田在北美Dr. Rana Mohtadi帶領的研究團隊研發出一種穩定電壓(3.8V)、電解質不具腐蝕性且庫倫效率大於99%的鎂離子電池。時間拉回2011年年初,豐田公司計畫開發鎂金屬和硫化物所製成的新一代電池 [2],預計花十年在2020年完成;從2011年至今,一直有鎂離子電池的研發捷報頻傳。

事實上,研究人員在1980年代便嘗試製造鎂離子電池,直到2000年左右,以色列Bar-Ilan大學的D. Aurbach團隊克服了鎂的缺點,發展出有機鹵素鋁鎂(Mg organohalo aluminate)液態電解質及Mo6S8陽極的雛型電池,使重量輕、無毒、便宜的充電鎂電池成為可能;2003年,又發展出新式固態電解質,且兼具便宜、導電度佳、工作溫度範圍很廣(0~80℃),進而發展出更好的陽極材料來增加鎂電池的儲能密度 [3]。2014年台灣成功大學材料科學及工程學系教授洪飛義與貴重儀器中心組成的研究團隊亦利用控制氧化鐵還原機制,大幅提高鎂電池穩定性,此效率高耐溫強的鎂離子電池,未來可望取代鋰電池。Tesla CEO曾多次表示,Tesla和其超級工廠準備發展鎂電池

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鎂離子電池與目前主流的鋰離子電池相比,有以下的優點 [4]:

  1. 成本低廉且安全:鎂的地球儲量豐富且無毒性。
  2. 儲能性能較高:鎂離子以Mg2+的形態存在,而鋰離子是Li+,因此若兩塊電池分別使用了同等密度含量的鎂離子和鋰離子,使用鎂離子作為傳遞電子介質的電池能量存儲密度將是鋰電池的兩倍。因此鎂離子電池的帶電量高、每克儲存較多電荷,使汽車行駛距離更長、增加電子產品使用時間。
  3. 可沿用鋰離子電池工廠:從傳統鋰電池到鎂電池的轉型,在電池設計方面並不會受到太大的影響,工廠只需更新相應的流水線作業工具。

然而,鎂離子電池亦有移動速度慢的缺點 [5] [6]:鎂離子以Mg2+的形態存在, 當鎂離子和兩個電子結合時,整個原子核就擁有了兩倍的負電荷,而負電荷量越多,吸引其他鎂離子的能力也就越強,根據實驗成果,鎂離子大約會受到四個相鄰離子影響。因此,當鎂離子攜帶著兩倍的電荷,要在充滿電解液的兩極之間運動的話,速度自然慢了很多。因此,找出適合鎂離子移動的電解液,是重要的研究方向。

圖一、電腦模型顯示電解液中的鎂離子會受到相鄰四個其他離子的影響
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針對上述問題,研究者提出兩種解決方法 [6]:

  1. 研制鎂金屬陽極:這類陽極能高效地轉移電荷,但與常規電解液不兼容。因此研究人員正尋找能很好地和鎂兼容的新型電解液。
  2. 研制能兼容常規電解液的新型陽極:豐田公司的論文證明它值得進一步研究,特別是在尋找一種高電容、高電壓陽極方面。

相較鋰金屬,金屬鎂的開採成本較低,同時利用價值卻很大。豐田目前已經在相關技術上投入了巨資,而特斯拉也曾多次在公開場合表態,特斯拉及其超級電池工廠已經做好了擁抱鎂電池的準備[6]。開發鎂電池能夠帶來諸多好處,因此商用化的可行性非常高。(1102字;圖1)


參考資料:

[1] “Toyota Research team reports significant advance in electrolytes for high-energy Mg batteries”,2015/06/01,http://www.greencarcongress.com/2015/06/20150601-trina.html
[2] 高銘壯,“豐田計劃開發鎂電池技術,以取代鋰離子電池。”酷車網站,2011/01/13,http://www.kumotor.com.tw/article_page.php?owt01=20110117144732330
[3] CS Kuo,"化學: 新型固態可充電鎂電池”, Sciscape科學新聞報導,2003/05/09,http://www.sciscape.org/print_news.php?news_id=1128
[4] “豐田:鎂離子電池前景光明”,2012/12/06,http://tech.hexun.com.tw/2012-12-06/148732031.html
[5] “鎂電池替代鋰電池的不二選擇?”2015/04/07,http://3g.autooo.net/utf8-classid164-id140738.html
[6] “Lithium Ion Batteries May Soon Be Replaced With Magnesium Ion Tech”,NDTV GOODGETS,2015/04/21 http://gadgets.ndtv.com/science/news/lithium-ion-batteries-may-soon-be-replaced-with-magnesium-ion-tech-683741


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