從鏽鐵到再生能源：海水與廢金屬如何改變能源儲存

在邁向更永續能源儲存的重大突破中，伍斯特理工學院的研究人員發現了一種由氯離子驅動的革命性電池化學反應。氯離子是海水中最豐富的帶負電離子，這項突破可能挑戰目前以鋰離子為主導的能源儲存技術，後者依賴於昂貴且地理分佈有限的材料。

一直以來，鈉、鉀和鋅都被視為鋰在可充電電池中的潛在替代品。如今，伍斯特理工學院的研究人員提出了一個意想不到但極其豐富的競爭者：氯離子。該學院的化學工程教授Xiaowei Teng發現了一種新的氧化還原化學反應，利用氯離子推動了基於海水的綠色電池的發展。

儘管鋰離子電池廣泛應用於電動車和消費性電子產品，但其高昂的成本以及對稀缺材料（如鈷、鎳和鋰）的依賴，使其在大規模能源儲存方面面臨挑戰。全球超過85%的鋰儲量集中在六個國家，這使得供應鏈脆弱且成本高昂。

為了推動電池技術的進步，Teng與阿拉巴馬大學的化學與生物工程教授Heath Turner合作，並與來自布魯克海文國家實驗室的研究科學家Lihua Zhang、Milinda Abeykoon、Gihan Kwon和Daniel Olds共同進行研究。他們的研究探索了氯離子如何增強鐵氧化物電池材料的氧化還原化學反應，為永續能源儲存開闢了新的可能性。

這項新電池化學反應的研究成果發表在美國化學學會期刊《Chemistry of Materials》上，並被選為補充封面文章。研究顯示，氯離子插入Fe(OH)2層狀雙氫氧化物中，形成了一種名為「綠鏽」的中間結晶材料，這有助於單一電荷轉移的Fe(OH)2/FeOOH轉化反應，並提高了迴圈穩定性。

Teng與他的研究生Sathya Narayanan Jagadeesan（該論文的主要作者）進一步前往布魯克海文國家實驗室的能源使用者設施，利用同步輻射X射線衍射和高解析度元素對映進行實驗，驗證了這一結果。

研究團隊製作了一種水基電池，這是一個小型實驗室原型，使用主要由鐵氧化物和氫氧化物等豐富元素製成的電極，並在水基電解質中運作。雖然團隊尚未計算成本，但使用地球上豐富的材料應能大幅降低成本。

美國每年產生超過1500萬噸未回收的廢鐵，其中許多以鐵鏽的形式存在。因此，這項研究報告的可充電鹼性鐵電池化學反應，有助於將鐵鏽廢料重新利用於現代能源儲存。

參考文獻：Sathya Narayanan Jagadeesan等人於2023年8月2日發表在《Chemistry of Materials》上的論文《Chloride Insertion Enhances the Electrochemical Oxidation of Iron Hydroxide Double-Layer Hydroxide into Oxyhydroxide in Alkaline Iron Batteries》。DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c01496。該研究由美國國家科學基金會和能源部（DOE）資助。