鋰離子電池的發展、應用與未來
文/洪為民
引言
2019年的諾貝爾化學獎頒發給了John B. Goodenough (古迪納夫)、M. Stanley Whittingham (惠廷翰)和Akira Yoshino（吉野彰）三人，表彰他們為鋰離子電池的發展所做出的貢獻。這種可充電電池奠定了如手機和筆記型電腦等無線電子產品的基礎。這也使得一個無化石燃料的世界成為可能，因為它可以使得從驅動電動車到儲存能量裝置的各種工具能運用可再生能源。
上面這段話是引自2019年諾貝爾獎委員會的新聞稿(台大化學系翻譯稿)1，敘述得獎三人在鋰離子電池的貢獻，本文將鋰離子電池原理、發展過程、應用說明，逐步展開介紹。此外，分享材料專利的軼事及作者對鋰電池的未來的看法。
什麼是鋰離子電池--工作原理
一般人很容易將鋰離子電池和鋰電池混為一談，雖然只增加離子二字，意義卻相差甚遠。前者強調在電池裡鋰元素是以鋰離子的形式存在，而後者則是使用鋰金屬在電池內充作陽極(氧化電極)。目前鋰電池無法做到可以重複充放電使用，仍限制在一次電池產品的階段。
基本原理上，鋰離子電池主要構成要素有三樣：陽極、陰極和電解液。在充電時，鋰離子在電池內部由陰極進入陽極，同時電子由外部回路到陽極與鋰離子結合；放電時反之，鋰離子由陽極回到陰極與外部回來的電子結合。整個反應可以用下列式子(1)表示。
電池的能量儲存及釋放量與陽極和陰極材料直接相關，電解液扮演橋樑角色，提供鋰離子進出途徑而已。
鋰離子電池的發展
由於鋰金屬是週期表裡第三輕的元素，具有固體最高的重量及體積能量密度，因此最早吸引科學家們的注意及興趣。然而，當鋰金屬當作陽極用在電池時，氧化反應形成鋰離子進到陰極；此時若進行還原反應，鋰離子在鋰金屬表面上還原時會形成樹枝狀(dendrite)結構，如圖1所示。這樹枝狀結構隨著反應時間增長而增大，最後穿過隔離膜與陽極接觸到造成短路，這是很危險的事。因為短路會伴隨著發熱、升溫現象，造成嚴重的會燃燒爆炸。世界上第一個嘗試以鋰金屬當陽極材料進行商業化充電式電池的廠商是加拿大Moli Energy公司（現成為能元科技/E-One Moli加拿大分公司）。當時陽極用鋰金屬(Li)，陰極用二硫化鉬(MoS2)。作者曾邀請過當時擔任研發經理Jeff Dahn(現為加拿大Dalhousie University教授)來台灣，他描述半夜接到客戶NTT DoCoMo手機測試人員的電話，敘述壽命測試過程中電池發熱冒煙現象。這重大意外直接使得Moli Energy倒閉，並且加深人們對鋰金屬電池安全的疑慮。也促成研究重心轉移到鋰離子電池上。
圖1. 顯示當鋰金屬枝狀結構形成並穿過隔離膜與陰極接觸造成短路
(圖片來源：MSE Supplies)
鋰離子電池所用的陽極材料是碳(例如:石墨)，陰極是含鋰的過渡性金屬氧化物（例如：鋰二氧化鈷）。當充電時，鋰離子進入石墨層狀間空隙，而非形成鋰金屬。反之，放電時，鋰離子回到陽極材料的結構裡，如圖2所示。
圖2. 顯示在Graphite及LiCoO2之間，鋰離子在充放電時進出材料的方向
(圖片來源：ECS文章 K. M. Abraham)
目前商用鋰離子電池陽極材料仍以碳材為主，陰極除了含鋰的過渡性金屬氧化物（如：LiCoO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiMn2O4, Li(Ni,Co,Al)O2）外3，增加了磷酸鋰鐵(LiFePO4)4。磷酸鋰鐵由於含有磷酸根陰離子，而磷與氧原子鍵結是共價鍵，鍵結非常安定。這改善之前使用含鋰的過渡性金屬氧化物時，陰極材料在過充電時，過渡性金屬原子與氧原子之間的離子鍵斷裂，形成氧分子並伴隨著高熱的危險。鋰離子電池由於電壓高達3伏特以上，不適合使用水做為電解液的溶劑，而用了有機溶劑。表1為電解液常用的溶劑5，電解質則以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主。
表1.為鋰離子電池裡電解液常用的溶劑
（資料來源：A. Bhaskar博士論文）
由於過充電時，鋰離子電池會有過熱的危險性，過放電時電池性能會受損，因此鋰離子電池大都會附有電池管理系統(Battery Management System, BMS)來確保電池使用的安全及性能。圖3是48V儲能電池組所用的電池管理系統照片6。簡單說，BMS具有監控、控制、平衡及通訊等四大功能。
圖3. BMS實體照片--P-是電池組的負極，B+及B-分別是電池+、-連接點，CON1- ~CON4-1分別代表連接線位置(圖片來源：中大安孚規格書)
從時間軸來看，當Sony Energy Tech. (現已被收購改名為Murata)最早於1991年推出鋰離子電池時是以LiCoO2當作陰極材料，基於成本及安全性考量，電池業者陸續推出LiMn2O4、Li(Ni,Mn,Co)O2及LiFePO4。負極材料除了C以外，也有Li4Ti5O12及Si等新材料7。目前最主要材料系統以C/ Li(Ni,Mn,Co)O2及Ｃ/LiFePO4為主，前者簡稱為鋰三元(因爲過渡性金屬有三種)，後者簡稱為鋰鐵電池。
鋰離子電池的專利
這裡提一下關於鋰離子電池材料專利的軼事，當Sony Energy Tech.要推出鋰離子電池時，透過專利搜尋找上英國AEA (Atomic Energy Agent)時，這是一個類似台灣原子能委員會的組織。英國人驚訝他們主動找上門，要求付專利授權費。原來之前AEA曾經贊助牛津大學某個計畫，計畫主持人是John Goodenough，透過這計畫申請了LiCoO2當作鋰離子電池材料的專利，這是第一個鋰離子電池產品製造商付材料專利的例子。另一個材料LiFePO4專利也是由John Goodenough(見圖4)8在1986年取得，目前生產LiFePO4材料廠商也需要針對歐美及日本市場付專利授權金。從這裡可以看出John Goodenough對鋰離子電池的貢獻。Prof. Goodenough在1986年被美國UT Austin邀請擔任材料系講座教授，作者在Iowa State Univ.唸書時，系裡曾邀請他來演講，內容非常精彩。更記得他的幽默感，演講結尾時他說，以上結果都是”a man and a dog”做出來的，因為當時他實驗室只有一位工作人員。作者曾經跟他有工作接觸經驗，發覺他是一個樂觀沉醉於研究工作的人。當他進行上述材料研究時，並不知道未來的產品會如何發展，純粹是基於學術上好奇及熱忱。因此當記者訪問他時，他很謙虛表示得獎是意外，得了獎生活照舊，每天仍會到研究室(當他得獎時已經97歲，是得諾貝爾獎者中年紀最大的人)。想像造就出鋰電池工業與電動車產業支柱鋰離子電池，而其中全部三個陰極材料(包含LiMn2O4在內)的發明均來自Prof. Goodenough，就可知他對人類的卓越貢獻有多大。
圖4. Prof. John Goodenough在實驗室照片(圖片來源：Yale News)
吉野彰(Akira Yoshino)（見圖5）是在日本旭化學(Asahi Chemical)鋰電池研究專家，他最早提出將負極碳搭配鋰過渡性金屬材料的構想，避免鋰金屬的可能危險，同時也針對這方面應用提出專利9。
圖5. 吉野彰(Akira Yoshino)博士的照片(圖片來源：維基百科)
Stanley Whittingham(見圖6)是紐約州立大學的教授，他是三人中最早投入鋰離子電池研究者。他發現鋰離子可以在某些過渡性金屬化合物間嵌入(intercalation)反應，如之前提到的MoS2。一生研究各式各樣電池材料，也最先提出搖椅(rocking chair)理論來形容鋰離子在電池充放電過程中鋰離子進出的情形，並提出第一個鋰離子電池產品專利10。這三位諾貝爾獎得主共同點都是屬於實驗型的研究學者，透過他們的研究成果及專利發表，提供了鋰離子電池的發展基礎，他們的得獎，可說是實至名歸。
圖6. Prof. Stanley Whittingham照片(圖片來源：維基百科)
鋰離子電池應用
當Sony Energy Tech. 於1991年將鋰離子電池導入市場時，選定產品是18650型號，這型號直徑18mm高度65mm來與當時常見其他種類電池尺寸上做區隔，例如：AA尺寸是14mm直徑50mm高度，達到避免消費者誤用或混用的目的。應用產品是Sony那時的熱門產品MP3及攝錄影機，結果大受好評，從此鋰離子電池憑著輕、薄、短、小的特性快速地席捲了所有的3C消費性產品，取代了鎳鎘、鎳氫電池的市場。更進一步逐漸滲透入原先鉛酸電池主導的工業電池的市場。圖7是各種不同能量範圍的鋰離子電池應用圖示。
圖7. 鋰離子電池在不同能量下的應用實例(圖片來源：蘭陽能源)
更重要的是由於鋰離子電池的問世，使得電動車的實用化變成可行。電動車之前由於電池的續航力太短及使用壽命次數太少，一直停留在研究階段或只能應用在特殊場合上。從特斯拉(Tesla)推出第一代電動車Roadster（見圖8）開始11，經過十幾年市場實際驗證，證明其可行性，市場大獲成功，同時推升特斯拉成為市值最高的車公司，超過Toyota、VW、……等等傳統車輛製造公司。期間各國政府也因此紛紛訂立推動電動車的短、中、長期的政策。每個國家針對自己的能力，訂定不同時間電動車要達到的比例，利用免稅獎勵措施及對油車產量的限制，積極推動電動車的發展。目前發展最積極的國家及地區分別是中國、美國、日本及歐洲。
圖8. Tesla第一代電動車Roadster外觀(圖片來源：Wiki)
台灣由於受到資源限制，加上市場及製造能力綜合考量，並沒有積極推動電動汽車，反而選定已有完善生產體系的機車產業，以電動機車作為發展及獎勵的對象。幾年下來已造就了Gogoro純電動機車公司，去年市占率已達到全體機車生產量的20%。同時也促成傳統機車廠光陽、三陽、山葉、宏佳騰、PGO等進入新的電動機車產業。
除了電動車外，另一個鋰離子電池快速導入的市場是儲能應用。因為溫室效應的考量，全世界各國都在推動再生能源(renewable energy)的應用。實際應用集中在太陽能及風力發電這兩項，無論是太陽能或風力都面臨到電力穩定度的問題，太陽能發電量因日照量變化而改變，風力發電量隨季節或氣流大小而起伏，當他們用為電力來源時，都需要有儲能系統的調節，緩和過大的變化。而鋰離子電池的高能量密度及長使用壽命特性，使得鋰離子電池在儲能應用上越來越多。加上產量不斷增大，造成電池的成本不斷下降，更加速儲能電池市場的成長。儲能櫃(見圖9)就是一個最好的例子，它的容量大小可由百萬瓦時(MWh)到兆瓦時(GWh)，根據客戶的需求來調整12。
圖9. 儲能櫃的外觀與貨櫃類似，內含監控櫃、電池櫃、空調、消防系統及管道空調、電流器及變壓器（圖片來源：工商時報）
前面提到鋰離子電池根據使用陰極材不同，主要產品有鋰三元及鋰鐵兩大類，前者具有高能量密度的優點；後者有長壽命極高安全性的特點。因此，3C電子產品、小型電動車(如Tesla轎車)都會使用鋰三元電池。儲能應用及強調安全性(如電動巴士)的產品會使用鋰鐵電池。簡單地說，民生產品以鋰三元為主，工業產品應用偏好鐵鋰電池。
鋰離子電池的未來
鋰離子電池已成為人們生活及工作上必備的電源，而且它的應用領域將隨著時間再擴大。展望它的未來發展,可以分成產品性能及安全性兩方面來說明。
第一是性能的再提昇，主要是電池能量密度的提高，努力的方向是找尋更高能量密度的電極材料。在陽極部分很快會有碳摻矽材料的導入，這可以提升陽極能量密度至少兩倍以上。而陰極材料最近重心放在含鋰混合金屬氧化物上，這也可以提升陰極能量密度50~60%。更積極的嘗試是回到用鋰金屬當做陽極，陰極用硫化物。研究結果顯示容量可以比現有鋰離子電池高數倍，可是由於壽命問題尚未解決，目前仍停留在實驗室階段。
其次是固態電解質和電池的開發，現有鋰離子電池電解液仍是使用液態溶劑為主，材料本身屬低沸點、低閃火點特性。若能將其改為純固態電解液，一方面安全性可以提昇，同時鋰金屬的使用較能實現。但由於固態物質導電度過低，仍需近一步提升才有可能。
鋰離子電池 vs. 鉛酸電池
鉛酸電池是超過200年的產品，雖然有鉛重金屬對環境及人體健康的疑慮，但由於價格低廉，目前仍是工業產品及汽機車啟動的主要電源。前面提過現在鋰離子電池因為量大價格不斷下降，使得鉛酸電池面臨很大的挑戰。尤其是鋰鐵電池挾著高容量密度、長壽命、大電流充放電，及高安全性優勢，加上電池本身電壓與鉛酸電池匹配度佳，已逐漸滲透入傳統鉛酸電池的應用。表2是12V/6Ａh機車啟動電池鋰鐵與鉛酸的比較。目前鋰鐵與鉛酸的價差仍大，等兩者之間價差拉到1.5倍以內，那鉛酸電池被取代的時機就接近了13。
表2. 針對12V7A機車啟動電池產品,鋰鐵電池與鉛酸電池的各樣性能比較
(圖片來源：蘭陽能源網站)
結語
鋰離子電池的出現，不僅是改善人們使用的方便性，提升了生活品質。由於它的問世使得電動車及綠能發電的理想可以落實，間接對地球暖化議題提供直接幫助。未來發展除了提昇性能，加強安全性外，若能達到普及經濟規模時，更可取代具污染性的鉛酸電池，讓我們拭目以待吧!
參考文獻 1.https://www.ch.ntu.edj./tw/nobel/2019.html
2.MSE Supplies Admin. Oct 17, 2019
3.D. Linden and T.B. Reddy(2001), Handbook of Batteries, 3rd Ed. Chapter 35. NY, USA : McGraw-Hill.
4.Masquelier, Christian; Croguennec, Laurence (2013). "Polyanionic (Phosphates, Silicates, Sulfates) Frameworks as Electrode Materials for Rechargeable Li (or Na) Batteries". Chemical Reviews. 113 (8): 6552–6591. doi:10.1021/cr3001862
5.Bhaskar, A. (2011). Investigations on LiM0.5Mn1.5O4 (M = Fe, Co, Ni) Spinels as High-Volt Cathode Materials for Rechargeable Lithium-Ion Batteries (Doctor Dissertation, Institute for Materials Science Technische Universitat Darmstadt)
6.中大安孚規格書“16串50A通訊後備電池BMS規格書”
7.呂承璋、鄭敬哲、劉文龍、張志溢，工業材料 326期，Ｐ052，2014年2月
8.B. Belli “Nobel-winning alum John Goodenoughs 44 B.A. inspires next generation of Yale scientists” Yale News Oct. 9, 2019
9.維基百科
10.維基百科
11.維基百科
12.工商時報 2019/08/20
13.蘭陽能源網站
洪為民
蘭陽能源技術副總
微型熔融鹽電解模組的設計與應用
文/廖旭茂
簡介
國中小的電解實驗大多是在水溶液的環境中進行，若在無水的環境下，可以進行電解嗎？答案是肯定，距今近兩百多年前，英國的科學家漢弗里．戴維（Humphry Davy）就利用自行設計的電解裝置，提煉出活性大的鉀、鈉、鈣等元素，是發現最多元素的化學家[1]。
與電解水溶液不同，一般的離子化合物需要在高溫環境下才能呈現熔融的液態，實驗時多是以本生燈為熱源，加熱坩鍋中的鹽類至熔融態再利用石墨棒進行電解[2]。本實驗設計透過新開發的微型電解裝置，以固態酒精凍為熱源，加熱Pyrex耐熱玻璃管中無水氯化鋅（熔點約290 ℃）至熔融態，再利用的9V乾電池進行電解。電解結束後，檢驗、鑑定正、負極產物的身分，藉此探討電解槽中陰、陽離子的移動與變化。
器材與藥品
1.功率80W的雷射切割機。
2.工業顯微鏡1台（分組實驗可使用手機顯微鏡或USB顯微鏡）
3.螺絲攻牙器1組（含5.0 mm、6.0 mm的螺絲攻鑽頭）
4.鑽孔機1台（含4.2 mm、5.0 mm、8.0 mm鑽頭）
5.M5不鏽鋼內六角螺絲（長25 mm、10 mm，各兩個）【可購自五金材料行】
6.熔融鹽微型電解器模組1組，包含：可調整角度的支撐鋁架（尺寸=長×寬×高=13×13×150 mm）、壓克力底座、彎折120。Pyrex耐熱玻璃管作為電解槽（外徑Φ＝8.0mm，壁厚1.5mm，長120 mm）、藍光LED燈1個、0.5kΩ的電組1個。
7.紅、黑雙頭鱷魚夾導線各兩條
8.兩種電極包括：鎳鈦合金棒（ϕ=1.5 mm，長10 cm）1根、銅線（ϕ=1.0 mm，長10 cm）1根。
9.固態酒精燈（自製）：包括小型果醬罐、酒精燈棉芯約15公分長、環保黏土隨意貼。
10.95%藥用酒精20 毫升、飽和醋酸鈣（calcium acetate, Ca(CH3COO)2）溶液4毫升、無水氯化鋅（zinc chloride, ZnCl2）固體0.5克、碘化鉀澱粉試液5毫升（0.5 M的KI溶液4毫升與2%澱粉以1毫升混合）、1.0 M的鹽酸（hydrogen chloride, HCl）溶液5毫升，及棉花棒1根。
實驗步驟熔融鹽微型電解器模組的製作
1.發想：在微型、可攜式的原則下進行，製作前的設計思考有三個方向：
(1)容器改善，以折彎的玻璃管代替坩鍋，減少加熱面積，節省能源。
(2)熱源改善，以自製的固態酒精凍取代本生燈，提高安全性。
(3)支撐架改善，以可調角度的傾斜式支架取代實驗室的鐵架、鐵夾，方便將實驗移動至其他空間進行。
2.外觀繪圖：利用PowerPoint簡易繪圖功能繪出草圖，標示底座、可調式支撐柱、耐熱玻璃管固定位置。圖1為熔融鹽電解模組設計外觀圖。
圖1.微型熔融鹽電解裝置外觀圖
3.底板雷切：打開雷切機暖機後，取一塊厚度為5 mm的透壓克力板，進行切割，切出長160mm，寬90mm的長方形壓克力底座。底座上須預先導好M5螺絲孔，供兩片L型角鐵固定用，孔徑預定為4.2mm。以M5的螺絲攻在壓克力底板上攻出螺孔，並以M5內六角螺絲將兩個L型角鐵緊固在底板；若不熟練螺絲攻，亦可直接雷切機導出M5圓孔，直接以M5螺絲穿孔，再於壓克力板背面以螺母緊定亦可。圖2為雷切設計圖及完成圖。
圖2.底板設計(左)和加工完成圖(右)
4.鋁棒加工：鋁棒尺寸為截面12.7 mm×12.7 mm，長15公分，其加工分成三個部分：
(1)於距鋁棒一端10mm處，以電鑽鑽出一個M5的圓孔；取一根長25 mm的M5柱頭螺絲做為轉軸，穿越L型角鐵與圓孔，再取一個蝶型螺母，將鋁棒緊夾持在兩片L型角鐵之間，完成後鋁棒即為可自由調整角度的支架。圖3為加工完成圖。
圖3.可調整角度的支架完成圖
(2)鬆開蝶型螺母，於距鋁棒另一端約15mm處，轉軸孔的90度的垂直面上，以電鑽鑽出一個M8的圓洞，做為耐熱玻璃管的夾持固定孔；隨後再於方形鋁棒的立面上攻出一個M6的螺孔，以一顆M6圓柱頭內六角螺絲的進退來控制耐熱玻璃管的鬆緊。
5.玻璃的加工：玻璃彎管可向實驗材料商直接購買折彎的現成品。本實驗採自製，需取一支外徑8mm，壁厚1.5mm，長約12公分的Pyrex耐熱玻璃管（硼玻璃），置於本生燈火焰的上部1/3處加熱，手指握住玻璃管需要不斷來回旋轉，直到管身軟化。將玻璃管移置火焰上方約10公分，緩慢彎折管身至所需的彎度，待冷卻後備用。可事先在A4紙上畫上草圖置於桌面上，做為彎折時參考。
6.組裝：將鋁棒的一端固定在轉軸上，確定鋁棒傾斜角度後，旋緊蝶型螺母；隨後將彎型玻璃管的一端穿入鋁棒另一端上的M8圓洞，接著旋入圓柱頭內六角螺絲，穩固夾持玻璃管，完成模組組裝。圖4為完成的玻璃管固定機構。
圖4.鋁棒立面上的M6螺孔(左)和電解槽玻璃管的夾持固定機構(右)
7.固態酒精罐的製作：取一個高度約3.5cm的小型果醬罐，為提高火源燃燒時的穩定度，需添加一根輔助穩定燃燒的棉芯。首先在薄馬口鐵蓋上鑽出一個略大於棉芯外徑的圓洞，接著將一條15公分長棉芯置入罐內，棉芯以藥用酒精先行濕潤，並以鑷子夾持棉芯的一端，保持筆直；隨後倒入4毫升的飽和醋酸鈣溶液，接著快速倒入20毫升的藥用酒精，當混合物形成白霧狀時，酒精凍的製備隨即完成。接著將棉芯穿出馬口鐵蓋的圓洞，旋緊螺蓋備用。圖5為完成的酒精罐測試過程。
圖5.固態酒精罐試燃狀況。
教學應用：氯化鋅的電解
1.秤取0.5克的無水氯化鋅固體，倒入耐熱玻璃管中，讓白色固體集中在彎折處，輕敲玻璃管，減少粉末縫隙，然後將玻璃管的一端穿過方形鋁棒一端的圓孔，並旋緊固定。
2.實驗前，請預測正負極發生的變化與產物。正極的產物為________，正極的半反應為________________________________________；負極的產物為________，負極的半反應為________________________________________
3.將耐腐蝕的鎳鈦合金棒[3]與銅棒分別插入玻璃管的兩端，並沒入白色粉末中，做為正、負極；接著將製備完成的固態酒精罐，置於玻璃管彎折處的下方（為避免滑動危險，可先取兩小方塊的環保貼土，黏貼於果醬罐底部與壓克力板上）。隨後取9V電池，以雙頭鱷魚夾導線串連一個LED燈座與1個500歐姆，並連接正、負極。觀察LED燈是否點亮？圖6為熔融鹽電解準備圖
圖6.熔融鹽電解模組組裝圖
4.接著以打火機點燃酒精燈，開始加熱。1分鐘後，觀察白色粉末發生了甚麼變化？此時LED是否點亮？ 圖7為電解的過程變化
圖7.電解過程的變化圖
5.隨後以棉花棒沾取碘化鉀澱粉試液，靠近正極管口，觀察棉花棒是否有變化發生？嘗試根據顏色的變化推測產物的身分，並與預測做比較。圖8為測試結果。
圖8.正極產物的測試
6.持續加熱5~7分鐘，觀察熔融鹽的狀態；關閉火源，趁熔融鹽凝固前取出金屬電極，冷卻後，將電極浸入於盛有蒸餾水的燒杯中，沖洗電極上的鹽類後，再取出放置於衛生紙上陰乾，備用。
7.將負極的銅棒的前端置於工業顯微鏡下（若分組教學可改用手機顯微鏡或USB顯微鏡），觀察電解後銅線的外觀；隨後彎折負極的銅棒的前端置入於自製的微孔盤中，接著於孔中加入2滴的1.0M的HCl(aq)，觀察銅線的變化。嘗試根據螢幕中銅線外觀上的變化，推測產物的身分，並與預測相比較。圖9為顯微鏡下的銅線的變化。
圖9.銅線前端的變化(左)和銅線前端在鹽酸中的變化(右)
原理與概念
熔融鹽的電解，過去僅出現在中小的課本的圖片中，因高溫環境引發的安全顧慮致使師生難有機會去體驗真實又單純的電解反應。筆者2018年至雪梨參加國際化學教育研討會時，參加了英國學者Bob Worley的實驗演示，其中介紹了溴化鉛的電解[4]，當時電解的環境就在玻璃管中進行。今(2020)年初獲周金城教授邀請，要設計一個中小學可以入班的電化學實驗，於是動了實驗改良的念頭，也嘗試完成個人電化學模組最後一塊拼圖的心願。
將中小學實驗室較陌生的溴化鉛，取代成無水氯化鋅；拿掉大鐵架，設計可調式電解支撐架；不使用液態酒精燈，更換成更安全的固態酒精罐；以棉花棒沾碘化鉀澱粉試液，安全地檢測正極產物氯氣的存在；以顯微鏡觀測到銅電極前端銀白鍍鋅層的存在、金黃色的鋅銅合金與紅棕色的銅金屬三者顏色的差別。
無水氯化鋅為無色或白色固體，熔點約290℃，在空氣中極易吸濕，甚至潮解變成4結晶水的水合物ZnCl2．4H2O[5]，所以氯化鋅藥品用過須密封，保存在乾燥的環境，否則結晶水的存在會干擾電解結果。直流電解氯化鋅的反應如下式表示：
陰極（黑線接電池負極，還原反應）：
陽極（紅線接電池正極，氧化反應）：
全反應：
當正極產物氯氣與碘化鉀澱粉試液反應時，氯氣將碘離子氧化成碘分子，澱粉與碘化合成藍黑色的錯合物。當銅電極前端的鋅鍍層遇到鹽酸時產生氣泡，此泡泡推測為氫氣，不過氣體產量極低，需要仔細觀察。
教學建議與注意事項
1.教學建議：教學過程可進行提問，並讓學生上網搜尋資料，進行實驗後的問題討論，以下提供三個簡單提供學生討論：
(1)如果將氯化鋅改成溴化鉛的話，預期電解的實驗結果，與如何檢測產物的方法。
(2)依你判斷製備那一類的金屬，會較適合使用到熔融鹽的電解？
(3)為什麼中國古代歷史上有使用到金、銀、銅、鐵、錫製成錢幣或工具，卻沒有使用鎂、鋁、鈉金屬的記載？
2.注意事項：安全注意事項有五點，如下所述：
(1)鹽類的選取，以低熔點（低於500℃）、不含結晶水為原則（結晶水有可能影響產物），一般都為鋅、鉛、錫的鹵化物。本實驗因考慮藥品的安全性與普遍性等因素，因此選用無水氯化鋅。
(2)一般市售酒精燈，多為玻璃瓶身，體積較大，攜帶不便，安全性堪慮；市面上有高約4~5公分的鋁合金罐身，便攜性高，缺點是不易觀察瓶內剩餘液體量。
(3)自製的固態酒精罐燃燒的溫度經測試約500多度，溫度足以融化氯化鋅，不過建議一定要有棉芯，否則火焰會亂飄，無法穩定提供熱源；實驗完畢後酒精凍會漸漸瓦解成液狀，醋酸鈣非毒化物，依規定回收即可。
(4)明火實驗，有一定的風險，安全考量極為重要，為避免電解壓克力底座滑動，如同固態酒精罐的處理一樣，另取四小塊環保貼土，黏貼於壓克力底部的四個角落，降低酒精罐翻覆，引發火災的風險。
(5)本實驗雖為微型實驗，亦存在一定的高風險，強烈建議本實驗在實驗室中進行，教師必須規定學生穿著實驗衣，配戴護目鏡，維護自身的安全。
參考文獻 1.洪振方、刁彭成，戴維與電化學。台灣化學教育期刊。2017（7），期20。
2.Electrolysis of Molten Salts
3.Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27.
4.Microchemuk.
5.Zinc chloride.
廖旭茂
台中市立大甲高中(教育部高中化學學科中心)教師