加水來電：鎂電池

廖旭茂^{1, 2,} *、廖心妍¹、黃家均¹、林群耀¹

¹國立大甲高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  影片觀賞

本文介紹介紹幾樣來自日本和中國的鎂加水電池。本影片提供購自日本科學未來館的鎂電池的元件介紹、組裝過程、運作等步驟，並在文章中介紹鎂電池陰陽極的反應、發電的科學原理。

影片網址：加水來電：鎂電池，https://youtu.be/pzWj2iwDuiI。

n  簡介

最近有一則可充電式的鎂電池的媒體報導：「由國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義教授所組成的鎂電池研究團隊，已經獲得突破性進展，與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。新ㄧ代鎂電池除了電容量高外，又較安全，即使車輛相撞，不像鋰電池，並無爆炸的危險。惟可充電式鎂電池使用的電解液，材料價格不斐，貨源掌握在他國手中，電解質化合物的合成，尚待突破。」（自由時報，2014-10-16）。

相較於可充電式的鎂電池，不可充電式的一次性鎂電池已悄悄進入我們的生活，日本技術發展的進度最快，因應突發的地震等天災，日本的古河電池株式會社（Furukawa Battery，簡稱FB）與凸版印刷（Toppan）聯手，推出紙盒包裝家用的鎂電池—MgBOX，以鎂金屬為負極，使用非貴金屬系列的碳素電極為正極材料，強調只要加水，就可為智慧型手機充電30次，或提供緊急照明等備用電源^[1]。在中國亦有相關的產品的推出，還提供可替換的負極鎂板零件供消費者選擇。根據文獻探討，負極鎂在電解質中腐蝕過程所造成的極化現象，一直與鎂電池放電的效能有很大的關聯^[2]。本文章提供簡易鎂電池的製作過程，以及在不同電解質下，電池放電效能比較。

n  藥品與器材

市售鎂電池兩種、20 × 55 × 0.5 mm鎂合金片、0.5 M硫酸鈉溶液、活性碳粉、化妝棉、糖果鐵盒、3 mm透明壓克力片、長尾夾、二氧化錳、海藻酸鈉、電壓感測器、電流感測器、Vernier數據收集分析平台。

兩種市售鎂電池包括購自日本科技未來館的的可組裝的鎂電池套件一組、購自淘寶網的水用照明電池。

1.        「鎂電池可組裝套件」一盒，其中包括組裝說明圖、外包裝盒、鎂金屬片（負極）、電解層、觸媒催化層、不鏽鋼片（正極），吸管、LED燈泡。相關套件如圖1所示。

圖1：鎂空氣電池套件

2.        「水用照明電池」一盒，不須自己組裝，直接在罐底加水處加水，透明壓克力中間有一LED燈泡。

圖2：加水電池手電筒

n  實驗步驟與結果

一、  日本市售鎂電池組裝和觀察

1.        取出塑膠袋內的各元件，依說明書的圖片上所載順序排列。圖示說明如圖3所示。

圖3：M為鎂片（負極）、P為分隔紙（電解層）、X為催化層、S為不鏽鋼片（正極）

2.        將四組單電池，依照圖3的順序依序疊合後，以黑色膠帶黏著固定，隨後將盒內所附的LED的金屬腳正確與電池的正負極相連接（LED長腳為正極與不銹鋼片連接，短腳為負極與鎂片連接），並以膠帶環繞固定。相關組裝如圖4所示。

 

圖4 鎂電池的組裝

3.        將組裝好的電池組合，LED燈泡朝前，放入塑膠圓筒中後，加入約3 mL的自來水，蓋上底蓋，觀察燈泡點亮的情況。隨後以三用電表量測電壓值。四個串連鎂電池測得的電壓約為3.2伏特。圖5為加水過程及燈泡點亮情形。

 

圖5：鎂電池注水孔的加水（左），點亮情形（右）

4.        以三用電表量測電壓值，量測完畢，5分鐘後，並撕開膠帶，一一攤開各層觀察金屬片。比較結果：反應後的鎂金屬表面呈現灰暗色。圖6為鎂金屬表面反應前後比較。

圖6：反應過的鎂金屬片有明顯發生腐蝕的現象（左），尚未反應的金屬片（右）

二、中國市售鎂電池的觀察

1.        取出中國市售的加水鎂電池，撕開電池的底部透明膠帶後，在加水孔加入約2~3 mL的自來水，貼上貼紙封住加水孔，觀察燈泡點亮的情況。圖7為鎂電池加水過程及點亮狀況。

 

圖7：鎂空氣電池注水孔的加水（左），點亮情形（右）

2.        5分鐘後，以三用電表量測電壓值。量測完畢，並撕開膠帶，一一攤開並排列各片，觀察鎂電池的內部構造和金屬片的腐蝕情形。反應後，銅片和鎂片的表面不呈現光亮。圖8為鎂電池的內部構造的拆解。

 

圖8：鎂電池的構造（共有四組單電池）（左），依序為銅片、觸媒層、分隔紙及鎂片（右）

三、自製鎂電池性能測試

1.        自製氣體擴散層：氣體擴散層是以多孔性的碳纖維紙為材料。但是空氣電極專用的碳纖維紙價格高昂，一平方尺達3000元。本實驗以實驗室擦拭用的不織布為材料，置於糖果鐵盒中，蓋緊後於盒蓋鑽三個小孔，作為排氣之用，以本生燈加熱進行乾餾，以製備碳纖維布。圖9為乾餾後的碳纖維布。

圖9：在糖果鐵盒中乾餾完成的碳纖維布（左），乾餾後上蓋內側佈滿黑色焦油（右）

2.        自製觸媒層：採用活性碳與二氧化錳1：1混合，以海藻酸鈉作為黏合劑，塗於浸泡過硫酸鈉的濾紙上（單面），烘乾備用。

3.        組裝測試：裁剪一片與市售鎂電池大小的鎂合金片（AZ31）作為負極，100目的不銹鋼絲網為正極，連同氣體擴散層、觸媒層，以壓克力板及長尾夾固定，作為效能測試之用。圖10為自製的加水鎂電池。

 

圖10：由左而右依序為壓克力板、鎂合金片、觸媒層、不銹鋼網、碳布、壓克力板（左），自製加水鎂電池的裝置（右）。

4.        電池電壓（開路電壓，open circuit voltage）與時間的關係的量測：取一組單電池，以電位計量測電池的電位差（開路電壓）與時間的關係，10小時內，平均鎂單電池的電壓約為1.9 V。圖11為自製鎂電池的電位差與時間的關係圖。

圖11：自製鎂電池開路電壓V與時間T的關係圖

5.        不同酸鹼性下，市售鎂電池放電電流與時間的關係測試比較（負載10歐姆）：取一個10歐姆電阻，與市售加水鎂單電池連接，再以電流計測量10小時內，負載電流與時間的關係，起始電流約為100 mA，70分鐘後減至50 mA，190分鐘後再減至10 mA。接著再以電流計量測，不同電解質溶液 （不同酸鹼性下），鎂電池放電電流與時間的關係，結果發現：在強鹼中初始電流最高，達190 mA，鎂金屬在強酸電解質中的腐蝕作用最明顯；經過一段時間後，強鹼電解值的電流下降最快。圖12為市售鎂電池電流與時間的關係圖。

圖12：市售鎂電池的電位差與時間的關係圖

n  安全注意及廢棄物處理

l  操作過程中要戴棉手套避免切割傷。

l  實驗反應所產生的廢棄物毒性低，依規定回收處理。

n  原理與概念（含實驗討論）

l   本次實驗—鎂碳電池（伏打電池）

一次性鎂電池中有鎂碳電池和鎂空氣電池。本實驗提供市售的兩種測試產品，正極為一實心的不鏽鋼片作為導電之用，並無空氣電極「透氣」的設計；黑色的觸媒層，推測跟一般的勒克朗舍碳鋅電池一樣（二氧化錳與碳粉的混合物），作為去極化劑（depolarizer），可將反應產生的氫氣氧化成為水，減緩電池的極化現象^[3]，因此應該都是屬於鎂–碳電池的一種（屬於伏打電池）。二氧化錳與氫氣的反應如式[1]所示：

    [1]

本實驗根據參考文獻^[2]，嘗試自製簡易的鎂電池實驗，其中省略了聚四氟乙烯的使用（PTFE），結果發現不管電位差或電池放電的時間都不盡理想。比如說鎂電池的電位差（1.9 V），比理論值（3.1 V）低很多；探究其中原因，應該與鎂金屬性質有關，鎂與鋅不同，鎂非兩性元素，而且高活性比鋅大，提高了腐蝕速率，在實驗負載放電過程一直有氣體冒出，而且從實驗結果顯示，電解質溶液越酸，鎂電極表面累積氫氣的速度越快，導致的高極化現象。其反應如[2]所示：

     [2]

另一產物氫氧化鎂，難溶於水，致使造成內阻增高，極化現象越發明顯。加上空氣電極中氧氣還原反應動力遲緩，也使得庫倫效率（電流值）比理論值低落許多^[2]，因此這裡面還有很多需要深入探討的地方。

雖然一次或可充電式的鎂電池還有很多問題尚待克服。科技來自人性與需求，相信在鋰礦日亦短缺，價格居高不下，含量豐富的鎂，以價格、高電流密度、安全性的優勢，跨入車用電池、行動電源領域指日可待。

l   延伸介紹—鎂空氣電池

另一種一次性鎂空氣電池，是金屬燃料電池的一種，因具有高理論電壓，而受到矚目，過去的發展歷史中，曾利用高氧化電位的金屬當負極（如鋰、鎂、鋁、鋅），而空氣中的氧氣為正極，在各種金屬空器電池中，目前以鋅空器電池使用較普遍，助聽器、計算機，甚至大型的拖車等^[4]。圖13為助聽器使用的鋅空器電池。

圖13：電池的上方廠牌logo貼紙撕去後，表面現出五個「呼吸」用小孔。

鎂空氣電池的研究較少，但因地球的豐度高、高活性、密度小、低毒性以及高安全的特性，高能量密度及便宜的價格的優點，很快吸引了各界的目光。鎂空氣電極的結構包括鎂金屬（鎂合金）陽極、鹽類電解質、以及空氣陰極三個部分，其示意圖如14所示：

圖14：鎂空氣電極的典型工作原理

相關鎂空氣電池的反應如式[3]-[5]所示：

     [3]-[5]

鎂空氣電池的表現良窳常與空氣電極的組成與運作情況有很密切的關係。空氣電極的組成通常包括防水透氣擴散層、集電層以及觸媒催化層，是屬於氣–液–固三相反應的界面^[5]；氣體擴散層包含聚四氟乙烯材料（PTFE），是氣體進入電極的通道，同時必須防止電解液的滲漏，就像穿了登山用的GORE-TEX外套一樣，透氣防水；集電層通常是不銹鋼網或多孔性的純鎳板，須具有耐腐蝕的特性；與電解質接觸的觸媒層，是氧氣發生還原反應的場所，觸媒層ㄧ般多是使用貴金屬或二氧化錳。相關結構簡圖如圖15所示：

圖15：空氣電極的構造

n  參考資料

1.      MgBox, http://www.furukawadenchi.co.jp/mgbox/.

2.      Tianran Zhang, Zhanliang Taoa and Jun Chen. Magnesium–air batteries: from principle to application. Mater. Horiz., 2014, 1, 196-206

3.      郁仁貽編著(1990)。電池的科學（初版）。臺南市：復文出版社。

4.      Zinc–air battery, https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc%E2%80%93air_battery.

5.      黃雅君（民92）。過渡金屬氧化物觸媒應用於鋅–空氣燃料電池陰極之研究。國立交通大學材料科學與工程研究所碩士論文。網址：https://ir.nctu.edu.tw/handle/11536/50924。