- 專欄
文章專區
2015-11-01更強更耐久的電池
551 期
Author 作者
高憲章／任職於淡江大學化學系，負責「化學遊樂趣」計畫，隨一台行動化學車全臺跑透透，說故事作實驗分享化學給學生們。
電力更強、更耐用
鋰硫電池
鋰硫電池是目前最廣受研究的題材之一，鋰硫電池以鋰為陽極，以硫為陰極，在放電時陽極的金屬鋰失去電子而形成鋰離子，陰極上的硫與鋰離子及電子反應生成鋰硫化物（S+2Li++2e−→ Li2S），由於這個反應是由硫與兩個鋰離子伴隨著兩個電子的反應，因此鋰硫電池在與一般鋰電池相比，有更高的放電電壓，在相同的重量下，可以儲存更多的電量，除了這些優點，硫比起一般鋰電池電極所使用的鎳、鈷、錳等金屬所造成的汙染相對低非常多，因此鋰硫電池非常有機會成為未來電池的主流，出現在各種電子載具上。
但是鋰硫電池當然也有一些缺點，除了硫本身是個不導電的物質之外，在陰極元素態的硫與溶液態的鋰離子反應時，非常容易形成多硫化物如Li2S8、Li2S6、Li2S4等等，而這些多硫化物，可以溶解在大部分的有機溶劑中，經擴散離開電極表面，這個現象使得硫電極在反應的過程中不斷的快速被耗損，如果這些多硫化物擴散到鋰電極上，就可能反應形成溶解度差的鋰硫化物如Li2S2，這些多硫化物沒有辦法在充放電的循環中很快被還原，因此會造成放電量的大幅衰減。此外，一旦硫電極在氧化還原反應中形成多硫化物時，體積變化相當大，電池在經過幾次的充放電循環之後，造成電極結構崩壞破損。鋰硫電池不論在化學特性或是物理特性上，都有一些問題需要克服。
解決的策略可分為電極和電解質，例如加入醚類來改變電解質，以調整多硫化物的溶解問題，或是改變陰極的材料，例如使用含硫的有機化合物，來改善導電和體積變化。科學家們甚至使用了更尖端的材料，來克服鋰硫電池的問題，他們使用了目前最熱門的材料石墨烯（graphene）以及離子液體（ionic liquid）。
石墨烯被氧化之後，會形成氧化石墨烯（graphene oxide），它的氧官能基可與硫形成鍵結，這些被鍵結在氧化石墨烯表面的硫，比較不容易形成多硫化物，因此科學家利用蒸鍍方式，把硫鍍在氧化石墨烯的表面，一方面透過石墨烯導電的能力提高電極的導電度，另一方面，越靠近氧化石墨烯表面的硫，會因為鍵結的形成而不易被電解質溶解，防止多硫化物的形成。......【更多內容請閱讀科學月刊第551期】