陳雨澤 副教授

國立成功大學材料科學及工程學系

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我們都需要更好的電池

在我們的日常生活中，從手機、筆記型電腦到電動車，都離不開「鋰離子電池」。但您可能也聽過，鋰電池有時候不太安全，可能會起火，而且它的原料比較稀有，價格也貴。
科學家們一直在尋找一種更理想的電池：它必須更安全、更便宜，還要對環境更友善。而「水系鋅離子電池」就是一個非常有潛力的明日之星！ 

 

什麼是「水系鋅離子電池」？

可以把它想像成一顆「加了鹽類的水電池」。「水系」代表更安全的液體，傳統鋰電池內部使用的是易燃的有機液體，而水系電池用的是以水為基底的電解液，大大降低了燃燒的風險。「鋅離子」則代表更便宜、更環保的材料，鋅金屬是地球上含量豐富的金屬，不像鋰那樣稀有。它無毒，製造過程也更簡單，可以直接在空氣中組裝，不像鋰電池需要嚴格的乾燥環境。
這些優點讓水系鋅離子電池非常適合用在家庭儲能系統，例如：儲存太陽能發電、穿戴式裝置，甚至是給小朋友的電動玩具，因為安全和成本是這些應用的首要考量。

 

水系鋅離子電池的內部結構：一座安全的能量工廠

那麼，這個神奇的電池內部到底長什麼樣子呢？讓我們先把它想像成一座小小的「能量工廠」，這座工廠主要由四個部分組成（圖 1）：
1.負極 (Anode) - 鋅離子原料倉庫：

通常是一片金屬「鋅」，這裡住著許許多多活潑的「鋅離子」小工人。當電池需要提供電力時，這些小工人就會從這裡出發，準備上工去！

2.正極 (Cathode) - 能量生產車間

通常是特殊的化合物材料，例如：二氧化錳、五氧化二釩以及三氧化鉬等等，這個車間有許多空著的「房間」，專門設計給鋅離子小工人進駐。當鋅離子小工人抵達並住進這些房間時，這個車間就能產生我們需要的電能，點亮燈泡或讓玩具動起來。

3.電解液 (Electrolyte) - 運輸鋅離子的專用通道

是富含鋅鹽的「水溶液」。這是一個充滿水的游泳池，也是連接負極和正極的唯一路徑。鋅離子小工人必須透過這個游泳池，才能順利地在兩地之間來回移動。因為它主要成分是水，所以非常安全，不像傳統電池的電解液那樣易燃。這也是它名稱中「水系」的由來。

4.隔離膜 (Separator) - 安全隔離牆

是一種有微小孔洞的薄膜，例如：玻璃纖維。這是一道非常重要的牆，它站在正極和負極之間，像個的警衛。它能防止正極和負極直接碰在一起「打架」，也就是短路，但它身上的微小孔洞又剛好只允許鋅離子小工人游泳通過。

圖 1水系鋅離子電池的結構示意圖

新科技的挑戰：「長太高」的麻煩

不過，這項新技術還面臨一個大挑戰。在電池不斷充電、放電的過程中，作為負極的金屬鋅表面會長出像樹枝一樣的微小晶體，我們稱之為「鋅枝晶」。這些小樹枝如果長得太長，就會刺穿電池的內部結構，造成短路，讓電池「壽終正寢」。這就像是在電池內部埋下了一顆癌細胞，大大縮短了電池的壽命（圖 2）。

圖 2枝晶生長導致電池短路示意圖

 

我們實驗室的妙招：打造「魚鰭」結構

過去，科學家們嘗試在鋅金屬表面加上一層「保護膜」，就像為它穿上盔甲一樣。但這種方法不僅昂貴，還會犧牲電池的效能。
因此我們的團隊想到了一個更聰明、更簡單的方法：直接改造鋅金屬的表面！
我們用一種特殊的化學溶液，對平滑的鋅箔進行「蝕刻」，蝕刻可以想成吃掉鋅金屬的過程，透過這個方法可以在上面雕刻出數不清的、排列整齊的微觀溝槽。這個結構就像一片片的「魚鰭」，而這個「魚鰭」結構就是我們延長電池壽命的秘密武器。當電池充電時，鋅離子會被引導到「魚鰭」之間的溝槽裡，整齊地沉積、填滿，而不是隨機亂長。這樣一來，鋅金屬的表面就能保持平整，那些討厭的「小樹枝」就長不出來了（圖 3）。

圖 3魚鰭結構示意圖

 

成果會說話：更長壽、更耐用

為了驗證壽命是否提升，我們進行了測試。結果非常驚人（圖 4）：經過「魚鰭」處理的鋅電池，可以穩定充放電長將近一千個小時，壽命遠遠超過未經處理的普通鋅電池。

圖 4對稱電池壽命

我們還製作了一顆像手機電池一樣的「軟包電池」，並把它接上LED燈。結果LED燈持續發亮（圖 5），這證明我們的技術不僅有效，而且非常耐用，足以應對日常生活中的各種應用場景。

圖 5軟包電池點亮LED燈

邁向綠色能源的一大步

隨著全球暖化問題日益嚴重，太陽能、風能等再生能源變得越來越重要。而這些能源需要穩定、安全的儲能系統來配合。
我們的研究透過一個簡單的「蝕刻」步驟，就大幅提升水系鋅離子電池的壽命，不再需要昂貴且厚重的額外保護層。這項發現不僅大幅降低了成本，也為這種更安全、更環保的電池商業化鋪平了道路，是人類邁向綠色永續未來的一大步。