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成大材料系發表可充放電固態鐵電池 高效輕量既環保又安全
勁報
發布於 12 天前

【勁報/記者于郁金/臺南報導】國立成功大學材料系特聘教授洪飛義研究團隊發表名片型大小的全固態鐵離子電池(固態鐵電池),運用鐵離子氧化還原機制,加上特殊不織布提高固態電解質穩定度,創造出可循環充放電,且體積小、造價便宜,結構更為穩定的固態鐵電池,未來在動力載具、儲能工業或軍工產業等方面運用十分值得期待。

「固態鐵電池像三明治,其結構組成包含:負極是鐵箔,固態電解質是專利不織布,正極則為石墨碳層。」累積10多年固態電池技術努力,成大材料系洪飛義教授研究團隊由陳志岳、蕭亦棻、范文晉,黃柏元4位研究生合力成功開發固態鐵電池,突破固態電解質降低離子移動的阻礙,善用布料孔洞的過濾特性及包覆穩固優點,讓氧化鐵的鐵離子既能自由穿隧不織布層而不散逸,並提升電池結構穩定性,讓固態鐵電池在極端環境效能表現優於一般固態電池。

洪飛義指出,本次發表的是全世界第一個導入鐵離子進行充放電循環的全固態鐵離子電池。該電池外型輕薄短小,鐵箔造價成本比起鋰箔可望降低400倍,本團隊掌握三項關鍵技術:

(1)其一是控制氧化鐵的鐵離子濃度,提高電容量:目前電容量每克可達600毫安培小時,若能串聯2400顆,將能成功驅動1台電動車跑500公里。

(2)其次,固態電解質本身含有氧化陶瓷顆粒,因材料晶格夠大,所以能夠讓鐵離子在2個電極之間自由穿隧;成大材料系團隊攜手臺南不織布大廠康那香公司,以專利不織布擴大原子層間距,讓鐵離子可平順進出,創造出適合充放電循環路徑;根據實驗,目前固態鐵電池可循環充放電達300次以上,未來在動力載具的應用有極大的推廣潛力。

(3)其三,為了保留更多鐵離子,並突破固態電解質粉末壓碇的實驗室型態,在粉末壓碇後於表面再包覆一層不織布,使得電解質緻密度高又不易崩塌裂損,透過不織布的包覆處理讓電極表面貼附性更佳;「當鐵離子通過固態電解質後,可大量且安定吸附在石墨碳層上,讓鐵離子與碳原子具有極佳鍵結特性,增加長效性與穩定度,促使固態鐵電池結構更為穩定,可耐高低溫及腐蝕環境,在軍工產業中發射系統或水下載具等極端環境亦有未來發展性。」

氧化鐵還原機制,俗稱生鏽;一般電池一旦生鏽,即失去原有效能;本次成大材料系團隊發表的固態鐵電池不怕生鏽,甚至可以說是「為了生鏽而生鏽,因為生鏽反而更能提高電量。」洪飛義解釋,鐵箔反應後變成氧化鐵,也就是鐵鏽,可以控制鐵離子進行充放電循環。

充電時,氧化鐵中鐵離子可容易穿隧進入固態電解質內,並崁入正極石墨碳層中;放電時,鐵離子也可依循原來路徑回到氧化鐵型態;當鐵離子愈多,固態鐵電池電量就更大。

高效能、輕量化固態電池被視為是電動車與儲能應用領域明日之星;成大材料系特聘教授洪飛義深耕固態電池技術10多年,亦長期致力環保電池研究,懷有成立「電池認證中心」從源頭推廣安全綠色電池的永續理想。

洪飛義指出,「外界習知液態鋰電池具揮發性有毒致癌物質,高溫狀態下易燃與有爆炸危險;至於目前各界積極研發固態鋰金屬電池則存在成本價格高昂、穩定度低等技術隱憂之外,也因為含有活極大鋰金屬,導致固態鋰金屬電池就是1顆炸彈,其危險性高於液態鋰電池千百倍!」 本次成大材料系團隊發表固態鐵電池可利用高電壓、高電流快速充放電外,更具有高效能與絕對安全性。

洪飛義強調,固態鐵電池「泡茶喝也沒問題」,其所使用材料安全且無毒,使用後可直接資源回收,沒有健康環保及燃燒爆炸疑慮,堪稱全球最具有競爭優勢的固態電池。

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