電化學是一門涉及電子與化學反應 相互關係的科學 但電子的性質與行為在近百年來 才逐漸被人明瞭 使得電化學雖然較早被研究 發展卻較為延遲 而因為環保意識與永續想法在近年內頗受關注 電化學搖身一變 成為一門「新興」且倍受期待的科學 我們就利用這部影片介紹一下 介紹一下電池的最新進展吧！ 要介紹電池的最新進展 一定要提到鋰電池 鋰二次電池的發明契機 源於 1970 年代的石油危機 在20世紀中葉 以汽油驅動的汽車數量顯著增加 排放的廢氣嚴重影響大眾健康 再加上人們逐漸體認到石油是有限的資源 而使得汽車製造商和石油公司 開始將資金投入電動車和替代能源的研究 電動車和替代能源 都需要可存儲大量能量的高效能電池 但當時市場上只有兩種類型的可充電電池： 笨重的鉛蓄電池和有致癌疑慮的鎳鎘電池 無法有效改善現況 因此艾克森石油公司招募大量研究人員進行研發 惠廷翰即是當時的研究人員之一 因為電池的陽極需要釋放電子的物質 惠廷翰便想找到可以提供高電位的負極（陽極）的材料 請參考畫面中的電位表 思考一下這個問題 答案是鋰 因為鋰金屬具有最大的氧化電位 釋放電子的電位為3.04V 所以以鋰作為材料的電池電壓高 且重量又輕 1976年三月 惠廷翰利用金屬鋰作負極（陽極） 鈦的硫化物作正極（陰極） 利用鋰離子的正、負極移動而能持續充放電的反應 製出了第一個鋰二次電池 其反應式如畫面所示 請參考電位表計算出電位差 來思考一下這個問題 答案是不行喔 因為電池中用到鋰金屬 當水碰到高活性的金屬鋰 會反應生成氫氣 其反應式如畫面所示 由電位表可知 鋰金屬的氧化電位為3.04V 水的還原電位為負0.83V 則全反應式的電位差為2.21V 電位差大於零時會發生自發性反應 故若用水滅火反而會釀成更大的災害 鋰電池的隱憂不只在於鋰金屬 除了鋰金屬活性大遇到水會有危險 還容易因過熱而自燃 此外二硫化鈦遇到水也會產生有毒的硫化氫氣體 讓我們來思考一下這個問題 答案就是短路 當樹枝狀結晶從鋰電極刺破分隔層到達陰極 就會造成短路 惠廷翰實驗室也因此發生過很多次火災呢！ 科學的進展依靠的就是一步步地發現問題 解決問題 目前鋰電池的問題包括： 金屬鋰和二硫化鈦的不穩定 且電極也是鋰電池能否繼續發展的關鍵因素 而接棒解決問題的科學家就是古迪納夫 古迪納夫的研究方向是 是找到取代二硫化鈦的鋰電池正極（陰極）材料 而他找到的替代品是鋰鈷氧化物 下列哪些原因是以鋰鈷氧化物取代二硫化鈦的優點呢？ ABC三個選項都是以鋰鈷氧化物取代二硫化鈦的優點喔 其中 鋰電池的電壓可以提高到4V 是原本電壓的2倍 但只要鋰金屬存在 因為充電產生的結晶短路現象就無法避免 該如何解決呢？ 解決這個問題的第三位科學家上場了 那就是日本科學家吉野彰 他在前人的研究中看到鋰離子可以嵌在石墨層中 而頓悟並提出以石墨當做負極的想法 充電前：負極材料為石墨 正極為前面提到充滿了鋰離子的鋰鈷氧化物 充電時：負極的石墨得到電子 鋰離子同時移入、中和上面的負電荷 正極的鋰鈷氧化物 因為氧的氧化數維持負2 但鋰離子移入負極 而使鈷的氧化數上升 發生氧化反應 但鈷的價數則會因為鋰離子的數量不同而改變 放電時 鋰離子因石墨層上的電子釋放後不需中和電荷 而重新回到正極形成鋰鈷氧化物 放電總反應式則如畫面所示 關於上述鋰離子電池充放電的敘述 何者正確？ 上述電池使用過程中並沒有鋰的氧化還原發生 所以選項是錯誤的 而由反應式可以得知 0.5莫耳的電子輸入時 x等於0.5 所以產物如畫面所示 鋰的氧化數為正1、氧的氧化數為負2 假設鈷的氧化數為a 正1乘以0.5加a加負2乘以2等於0 a等於正2分之7 而鈷的氧化數由正4變為正2分之7 發生了還原反應 1986年 吉野彰為了測試電池的安全性 從電池上方丟下一大塊鐵 電池安然無恙 但是 將此實驗重複在裝有純鋰的電池上 則發生了劇烈爆炸 吉野彰博士表示這是安全「鋰離子電池誕生的那一刻」 到此鋰電池的雛型已大致完成 是人類在能源使用上的一大里程碑 西元 2019 年 諾貝爾化學獎 頒給了對鋰離子電池研究有重大貢獻的學者古迪納夫 惠廷翰和吉野彰三人 表彰他們為鋰離子電池的發展所做出的貢獻 目前的鋰電池主要結構包括以下四個部份： 銅箔上塗布石墨且嵌有鋰離子的電極 鋁箔塗布鋰複合氧化物的電極 例如：氧化鈷或磷酸鐵等 隔離膜 聚乙烯或聚丙烯製成 表面有1微米以下的細微孔 有機電解液 例如：二甲基碳酸酯和亞乙基碳酸酯等 電解質則以六氟磷酸鋰為主 讓我們來思考一下這個問題 鋰離子電池由於電壓高達3伏特以上 充電或放電時 高電壓下水可能會發生電解反應 若是產生氫氣就危險了 目前大家購車首選的環保電動車 多是使用鋰電池 雖然鋰鈷電池不含鋰金屬 但同學們覺得使用電動車失火時 容易用水滅火嗎？ 其實電動車一旦失火 因為鋰電池中含有易燃的有機溶劑 所以極難滅火 不但用水量幾乎是傳統燃油車所需的93倍 且滅火耗時極長 也容易復燃 臺南市消防局則指出使用滅火毯可有效滅火 可以降低環境溫度、並減少煙霧 進而有效控制電池燃燒的狀態 鋰電池的發展歷史呈現了科學家由基本的化學概念出發 逐步解決問題思考邏輯 因為石油危機 找出了以鋰作為電池材料的想法而後因為安全問題 而後因為安全問題 開始將正極的二硫化鈦改成更完全 可產生高電壓的鋰鈷氧化物 負極材料則改成嵌入鋰離子的石墨以取代危險的鋰金屬 但目前的鋰電池已經完美了嗎？ 科學家並不這麼認為！ 為了得到更便宜好用的電池 科學家們正在研發以便宜的鈉取代鋰的電池 為了降低危險性 正設法研發出以水為電解液的鋰電池 這就是化學家為了改善人類生活所做的努力！