穩定性、成本效益比更佳，印度研發世界第一個鐵離子電池
CP-MG 20190815 10:30
資料來源：中央社、科技報橘
圖片來源： Journosdiary.com
目前全球無論是在手機、電腦或電動車，大多使用效能及穩定性較高的鋰電池。
但因印度未產鋰礦，世界鋰礦藏量也傳出短缺。印度理工學院馬德拉斯分校開發出「鐵離子電池」，其成本較低且儲存高電量，被視為能源發展的重大突破。（ 科技報橘責任編輯：施怡婷）
印度理工學院馬德拉斯分校（IIT Madras）最近宣布開發出一種使用低碳鋼製造的鐵離子電池，具備較高成本效益、安全穩定及可儲存較高電量等優勢。
目前全球無論是在手機、電腦或電動車，大多使用效能及穩定性較高的鋰電池，但因印度未蘊藏鋰礦，世界鋰礦礦藏也短缺，加上印度政府正在推動2030年全面電動車化，印度理工學院馬德拉斯分校開發出鋰以外性能相當的充電電池，有助印度推動電動車政策。
印度理工學院馬德拉斯分校這項研究成果，最近發表在英國皇家學會期刊「化學通訊」（Chemical Communications）上。 印度理工學院馬德拉斯分校物理系教授桑達拉（Ramaprabhu Sundara）所率領的研究團隊在研究中發現，以低碳鋼作為陽極、五氧化二釩作為陰極，採用含高氯酸鐵的電解質液製造出鐵離子電池，可達到成本較低且儲存高電量的目標。
這個團隊的研究發現，這種鐵離子電池可進行150次的循環充放電，且在50次循環充放電結束後，還能保持54%的電量，顯示出良好的穩定性。 論文指出，與鋰電池相較，在特定環境下製造這種鐵離子電池時，可從鐵離子電池汲取的能量密度為每公斤220瓦時（220 Wh/kg），約為鋰電池性能的55%到60%。鋰電池的能量密度為每公斤350瓦時（350 Wh/kg）。
桑達拉日前告訴「印度人報」（The Hindu），如果環境條件（ambient conditions）下製造這款鐵離子電池，可獲得約鋰電池近40%的性能。鐵離子電池也可在高電流密度下循環，以便能更快地從電池中汲取能量。 桑達拉說，鐵具有良好的物理化學性質，且鐵離子氧化還原電位高於鋰離子，這些特性被忽視了好多年，這也是目前沒有鐵離子電池的原因。
和鋰電池相較，這篇論文的共同作者、印度理工學院馬德拉斯分校博士班學生莎曼塔瑞（Sai Smruti Samantaray）表示，鐵離子電池在充電過程中更為穩定，可防止電池短路，且比鋰電池成本更低，也更安全。 莎曼塔瑞說，研究團隊正在嘗試使用不同的金屬氧化物來增加可與陰極結合的鐵離子數量，當有更多鐵離子與陰極結合時，就可在鐵離子電池中儲存更多電量，從而提高電池的性能。
曾聽過鋰離子電池、鈉離子電池、鎂離子電池，但鐵離子電池可謂前所未見。印度理工學院（IIT）馬德拉斯分校物理系教授Ramaprabhu Sundara表示，鐵的物理、化學性質都不錯，鐵離子氧化還原電位（Redox potential）比鋰離子高，亞鐵離子（Fe）半徑也比鋰的離子半徑還要小，過去科學家都略過這些優點。
看好鐵的可能性，團隊開始研製鐵離子電池，他們把低碳鋼當作陽極，陰極用五氧化二釩來製造，電解質則是採用高氯酸鐵，其中陽極採用低碳鋼的原因在於，若是用純鐵（pure iron），鐵離子難以在陽極穿梭，但在低碳鋼加入少量碳後，就能解決這個問題。
團隊指出，五氧化二釩常用於多價離子電池，間距較大，鐵離子容易在其中穿梭，而測試多種或常規或特殊電解質後，團隊也發現醚基高氯酸鐵溶液電解質的效能最好。
團隊認為，以低碳鋼製造鐵離子電池，能提高成本效益、穩定性及儲電容量，可儲存較高電量等優勢。除此之外，與鋰電池不同，鐵並不會生成晶枝，能有效防止電池在充放電時短路，因此能大幅提高鐵離子電池的安全性。
根據研究測試，目前鐵離子電池只能進行150 次充放電循環，50 次循環後維持54% 電量；重量能量密度為每公斤220Wh，鋰離子電池則是每公斤350Wh，大約是鋰電池55%~ 60%，顯然在壽命跟儲電容量方面，還需要進一步最佳化。
不過鐵離子電池仍是具潛力的技術，畢竟鋰離子電池並非完美無缺，不管是鋰礦開採、電池穩定性都備受爭議。
雖然鋰礦開採相對便宜，但通常都是透過抽取鹽水並加以蒸發處理的方式來取得鋰礦，開採鋰礦需要大量水，每噸鋰得使用500,000 加侖水，且鋰礦的有毒化學品若不小心洩漏，也會對生態系統造成嚴重破壞。
因此團隊認為，鐵是個不錯的替代方案，並不斷研究並冀望能商業化。研究已發表在《Chemical Communications》。