鋅碘電池有快速充電、不易衰減、安全度高的優點，只要能夠大量生產，有望迎來新的電池革命。(圖/AI) 字級設定：小中大特 在新能源領域，鋰離子電池目前仍占據主流地位，從電動車、手機到大型儲能系統都能看到它的身影。不過，鋰電池並非沒有缺點，除了原料供應與回收問題之外，傳統鋰電池使用有機電解液，也存在燃燒與熱失控風險。因此，全球研究團隊持續尋找更安全、壽命更長的新型電池技術。
澳洲夫林德大學（Flinders University）研究團隊近日開發出一種新型水系鋅碘可充電電池（AZIB），透過源自澱粉的環糊精聚合物改善電池內部的化學反應，使電池具備快速充電與超長循環壽命。研究顯示，在特定測試條件下，電池充電時間可縮短至3分鐘，循環壽命更可超過6萬次，有望成為大規模儲能系統的新選擇。
這項研究由夫林德大學化學系副教授賈忠帆（Zhongfan Jia）的團隊進行，研究成果刊登於《國際應用化學期刊》(Angewandte Chemie International Edition)。研究團隊目前也正與產業界合作，希望進一步建立商業化原型平台。
鋅碘電池原理
鋅碘電池的原理其實不複雜，可以把它想成一套利用鋅與碘進行電子交換的發電系統。在放電時，鋅金屬就是負極，也是電子的主要提供者。鋅原子失去電子，變成鋅離子進入電解液，而釋放出的電子則經由外部電路流向另一側，形成我們可以利用的電流。
電化學過程：鋅負極 → 釋放電子 → 外部電路 → 碘正極。電子到了正極，碘相關物質則接受電子，完成還原反應。
充電時，外部電源再把電子送回鋅這一側，使鋅離子重新得到電子，恢復成金屬鋅。
因此，鋅在這套電池中扮演的角色，就像一個「電子銀行」：放電時提供電子，充電時再把電子存回去。
而這類電池與鋰離子電池最大的不同之一，在於它採用水系電解質。水系電解質不像傳統鋰離子電池的有機電解液那麼容易燃燒，因此可以大幅降低電池發生燃燒與熱失控的風險。
技術挑戰：碘會「亂跑」
不過，鋅碘電池也有自己的技術難題。碘在充放電過程中會形成一些容易移動的物質，可能穿過電池內部的隔膜，從原本的位置「跑到另一邊」，造成活性材料流失，使電池容量隨著使用逐漸下降，這就是鋅碘電池著名的「多碘化物穿梭效應」。
夫林德大學賈教授用澱粉糊精「抓住」碘化物
團隊的關鍵突破，就是想辦法把這些容易亂跑的碘化物控制住。研究人員加入由澱粉衍生而來的環糊精聚合物，可以把它想像成許多微小的「分子籠」。這些分子籠能夠抓住多碘化物，降低它們穿過隔膜到處移動的機會。
換句話說，鋅負極負責提供電子，碘負極則負責接受電子，而環糊精則像「看守員」，負責把容易亂跑的碘化物控制在適當的位置。
這項材料設計有效降低多碘化物穿梭效應，讓碘能夠更穩定地參與充放電反應，也成為這項研究能夠實現超長循環壽命的關鍵。
這套新型電池最令人矚目的，是它的循環壽命。研究顯示，在不同操作條件下，電池可以在約7分鐘內完成充電，並提供約200 mAh/g(毫安培小時/每克)的容量；如果將目標容量調整至約150 mAh/g，充電時間可以進一步縮短至約3分鐘，同時循環壽命可超過6萬次。
3分鐘充電 循環壽命超過6萬次
當然，這並不代表一顆電池真的可以使用6萬次，實際電池壽命還會受到溫度、充放電倍率、材料老化與實際使用環境等因素影響，但是6萬次仍然個驚人的循環穩定性。
研究團隊測得的單次循環容量衰減約為0.0001%至0.0003%，因此即使經過數萬次循環，電池仍能維持相當高的容量。
鋅很廉價 可望成為重要電池選項
重要的是，鋅並不是稀有金屬，而且全球已經存在成熟的採礦、冶煉與加工產業。對需要大量部署的固定式儲能設備而言，這種原料供應優勢具有實際意義。
不過，鋅碘電池目前仍不能被視為已經全面超越鋰離子電池。鋰離子電池經過數十年的產業化，已經建立完整的材料、製造、回收與供應鏈，在能量密度與體積能量密度方面仍具有優勢。因此，鋅碘電池短期內更可能瞄準的是大型固定式儲能，而不是直接取代手機、筆電或電動車電池。
新的電解質配方可望帶來電池技術突破
利用豐富的鋅資源、水系電解質，再搭配由澱粉衍生而來的環糊精聚合物，研究人員正在嘗試打造另一種更安全、壽命更長的電池體系。如果這項技術最終能夠從實驗室走向大規模商業化，那麼未來的電網儲能，可能不一定需要完全依賴今天的鋰電池。
或許，下一場電池革命使用的，不是更稀有的材料，而是鋅、水，以及我們熟悉的植物澱粉。
文章來源：New zinc-iodine battery achieves over 60,000 charge cycles, charges in 3 minutes 日本豐田明年推出「固態電池電動車」 可能改寫全球車業格局 江飛宇Science》飛機也能電動化？台裔科學家發明「鈉空氣電池」顛覆想像 日本Elecom推出世界首款鈉電池行動電源 號稱13年不壞 #儲能系統 #電池技術 #鋅碘電池 #夫林德大學 #環糊精聚合物 【1鍵掌握全球脈動】 立即訂閱國際周報
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