有機自由基電池

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有機自由基電池 (Organic Radical Batteries)
臺北市立第一女子高級中學二年級邱子庭/臺北市立第一女子高級中學化學科江慧玉老師

有機自由基電池(ORB)是利用穩定的有機自由基聚合物作為電極活性材料的一種新型可充電電池，具有快速充電速度和良好的循環穩定性。此外，有機自由基聚合物還可製成薄膜電池。ORB 不含有毒的重金屬，其充放電依賴於有機自由基，如氮氧自由基的氧化和還原反應，不同於鋰離子電池依靠鋰離子的脫嵌和嵌入。ORB 為環境友好型電池，可作為筆記本電腦、智能卡、傳感器和無線電頻率識別標籤等設備的潛在電源。

有機自由基電池的結構、充放電原理及特點

1.結構

ORB 主要由正極、負極、電解液和聚合物隔膜組成。如圖所示，典型的正極材料包括作為活性材料的有機自由基聚合物、作為導電劑的碳纖維和用於加強對集電器附著力的少量粘結劑。負極材料一般為 $$\mathrm{Li}$$ 金屬，也有用石墨或自由基聚合物。電解液常用 $$1M$$ 六氟磷酸鋰 $$(\text{LiPF}_6)$$ 溶解在碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)。聚合物隔膜將電池的正負極分隔開來，防止兩極接觸而短路，還具有使電解質離子通過的功能，主要由聚烯烴構成。

2.充放電原理

ORB 的充放電過程如圖所示，自由基聚合物與電極之間只發生電子轉移但是分子的結構不會發生變化，即有機自由基通過氧化還原反應（得失電子）的過程來實現電能與化學能的轉換。

充電時，電極反應首先發生在靠近集電器的自由基聚合物上，聚合物自由基發生可逆的氧化反應，生成自由基正離子，即．O－N 基團失去電子氧化為 O＝N 官能基團，並與相鄰的自由基正離子通過電子自交換反應形成快速的電子傳遞，而聚合物間的自由基電荷還可以通過導電劑傳播，這樣聚合物層中大量的電子傳遞意味著電荷的聚集，直到所有的自由基均變為氧化態，完成電能的儲存。

而放電過程正好相反，即自由基聚合物的 O＝N 基團得到電子還原為． O－N 基團，集電器與聚合物的界面反應為外殼層型的電荷轉移過程，這種異相電荷轉移速率較快。在聚合物層內電荷快速傳遞傳輸時，電解液中的抗衡離子能在其附近快速平衡。

3.特色

與目前廣泛應用的鋰離子電池相比，ORB 具有下列的優勢：

(1) 快速充放電：由於電極反應速率極快，充放電可在 $$1$$ 小時內，最快甚至 $$10$$ 秒即可完成。

(2) 穩定性好：循環壽命長，ORB 的充放電時只發生電子的轉移，結構並不改變，自由基聚合物具有無定形結構，在充放電過程中因受熱而輕微膨脹，能與電解液和集電器更緊密接觸，促進電子或者離子的傳遞。而不同於鋰離子電池因電極膨脹而影響力的嵌入與脫嵌，降低電池容量與循環穩定性。

(3) 易加工，且結構可以設計：因有機自由基聚合物可配成聚合物溶液，能夠製作各種形狀的電極，製成如圖所示的薄型 ORB 電池。

(4) 材料來源廣：作為電極材料的有機自由基聚合物通過人工合成製得，原料來源廣泛，不受礦產資源限制。