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漫談電化學— 電化學原理應用與未來能源

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鎳鎘電池。鎳鎘電池。
 
電化學的發展史

西元前七世紀,希臘的泰爾斯首先發現摩擦過的琥珀能吸引輕小物體的現象。十六世紀時,吉伯特根據希臘文中的「琥珀」而創造了「電」這個字,用以表示琥珀經摩擦後所具有的性質,並且認為摩擦過的琥珀帶有電荷。後來,人們發現有很多物質都能藉由相互摩擦而帶電,並且帶電物體之間存在著相互排斥或相互吸引的作用。一七五二年,美國物理學家富蘭克林把它們分別命名為正電荷和負電荷。

一七九一年,義大利解剖學家賈凡尼發現以金屬片接觸青蛙肌肉時,發生了收縮的現象。因此認為動物的組織會產生電流,而金屬只是傳遞電流的導體而已。一般認為這是電化學的起源。

一七九九年,伏特基於賈凡尼的實驗,進一步認為電流是由兩種不同的金屬產生的,可以用任何潮濕的物質取代那隻青蛙。因而發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的「伏特堆」,即現今所謂伏特電池。這是第一個能產生穩定電流的發明,也是化學電源的雛型。在發電機發明以前,各種化學電源是唯一能提供恆穩電流的電源。

一八三三年,法拉第發表法拉第電解定律,定量地算出電能與化學能之間互換的關係,為電化學奠定了定量基礎。此後,其他科學家利用伏特電池與法拉第電解定律,又發明了電解、電鍍等技術,製造更高效率的電池,開創了電化學的時代。

電化學系統的運作原理

在電化學系統中,電子在二電極間的外部金屬導線中移動,所走的是「陸運」;而在溶液部分的傳輸則是依賴離子,所走的如同是「海運」。這種電子與離子的同步移動,構成了基本的電路迴圈。

基本的銅-銀電化學系統 將銅片置入硫酸銅溶液中,銀片置於硝酸銀溶液中,二溶液間以一U形管內裝鹽類連接,形成離子移動的「海運」;銅片上的銅溶入硫酸銅溶液中變成銅離子,而將電子由「陸運」送出,原來在硝酸銀溶液中的銀離子接收由「陸運」流入銀片的電子,還原成銀原子附著在銀片上,至於「海運」部分,則靠離子的移動維持電荷的平衡。

在我們未施加任何外來電源之下,如果電路迴圈可自動導通,不斷地有電荷在移動著,則此系統稱為電化電池,簡稱電池。反之,在須施加外來電源下,電路迴圈才會自動導通,則此系統稱為電解電池,簡稱電解。
 

基本的銅-銀電化學系統。基本的銅-銀電化學系統。
 
不論是電池或是電解,當電子流出時,該電極會發生氧化現象,稱為陽極;當電子流入時,該電極會發生還原現象,稱為陰極。這種在電極-溶液界面有電子跨越的輸送現象,因為遵從法拉第定律,故稱為法拉第程序。在某些程序中,電極-溶液界面處並無電子的跨越,如吸附、脫附等,會將造成界面電荷的累積或減少,稱為非法拉第程序。這種現象已廣泛地運用在電容器的製作上。

電化學如何應用在生活上?

因為電化學涉及電子傳遞的化學反應,所以應用領域十分廣泛。以下簡述幾種主要的應用。
 
各類型電池提供電流量(功率)與儲存能量(高容量)的分布圖。各類型電池提供電流量(功率)與儲存能量(高容量)的分布圖。
 
電鍍 電鍍是在製品的外表上產生一層均勻金屬薄膜的技術,其原理是將鍍件當成陰極,浸於含欲鍍金屬離子的電解液中,另一端置適當陽極,而施加直流電,當鍍件表面偏壓至較負的電位時,金屬離子便會還原成金屬原子而沉積在物體表面上。

電鍍可以增加物品的光澤,達到美觀的效果兼防止銹蝕,如餐具、汽機車的零件等。或只用來防止銹蝕,如馬口鐵、鍍鋅的纜線繩索等。也可鍍硬鉻以提高表面硬度,增加耐磨耗性。

電鍍技術中,銅電沉積是近年內工業界最重要的技術之一。目前,銅沉積層用在許多領域,如印刷電路板材料電解銅箔、超大型積體電路裡銅金屬化製程、印刷電路板穿孔電鍍與銅金屬凸塊製程等。

銅金屬薄膜有許多沉積技術,如電鍍法、物理氣相沉積、雷射退火回流法以及化學氣相沉積法等。其中,電鍍法(電沉積銅)具有低成本、高產率、高品質的銅膜、良好的孔洞填溝能力等,優點最多。

無電電鍍是沉積薄膜金屬層的另一種電化學方法。就是在無需外加電壓的情形下,把溶液中的金屬離子藉由自動催化的化學反應方式,沉積在固體表面上。這種反應程序與電鍍極為類似,不同的是反應發生時,電子傳遞並不經由外部導線,而是藉由溶液中的物質在固體表面上發生反應的同時,直接進行傳遞。

無電電鍍的基本原理,乃是利用與金屬離子與共同存在於鍍液中的還原劑,在固體表面上,藉由化學反應將金屬離子還原成固態金屬,而逐層沉積於固體表面上。由於此氧化還原反應僅在具有活性物質的固態表面上發生,故無電電鍍的施行,並不會因為鍍件的表面形狀、大小或是否導電等因素而受到限制。因此,若想要在非導體如矽晶圓或塑膠等的表面上沉積金屬層,利用無電電鍍是一種兼具便利與效率的方法。

電池 電池是一種將化學能轉換成電能的裝置,因具有可攜帶、多種組合、高能量密度,以及無排放噪音與廢氣的優點,所以應用範圍很廣。

伏特電池可以說是今日電池的起源,其後的一個重要發展則是丹尼爾以鋅(負極)浸於稀酸電解質與銅(正極)浸於硫酸銅溶液所形成的丹尼爾電池,改善了原本電池電流遞減的缺點,增進連續放電時的性能。
 
伏特電池堆示意圖。伏特電池堆示意圖。
 
後來,電池性能不斷地改進,在一八六四年時,勒克朗舍提出了勒克朗舍電池,並幾經改良,成了現今一般乾電池工業的主軸與一次電池工業的基礎。然而一次電池受限於放電後即無法再使用的困擾,可反覆使用的二次電池因而誕生。二次電池始於一八五九年普朗特所發明的鉛酸蓄電池,因技術的開發與改進,又陸陸續續有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等的出現。

今日,電池的改進與新式電池的發明仍然持續進行中,像是鋰離子電池、高分子鋰電池、燃料電池、太陽能電池等,隨時因應不同時代人們的需求。

關於電池的分類,可以透過電池本身的充放電特性與工作性質大致區分為一次電池、二次電池與燃料電池。

一次電池僅能使用一次,無法透過充電的方式再補充已被轉化掉的化學能。此類電池常見的有乾電池、水銀電池與鹼性電池等。一次電池的應用最早也最廣泛,市面上販售的不可充電電池幾乎皆屬此類。

二次電池所指的就是可以重複使用的電池,透過充電的過程,使得電池內的活性物質再度回復到原來的狀態,因而能再度提供電力。這類電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池,以及鋰離子電池和高分子鋰電池等。

燃料電池與前述兩者有相當大的不同,又稱為連續電池。它的特色是陰、陽兩極並無活性物質,而是透過外部的系統提供,所以只要持續地提供活性物質,電池就可以持續地放電。在陽極部分,真正進行氧化反應的是空氣或氧氣;而陰極部分則是以氫或煤氣等為主。此類電池尚在發展中,且受限於體積較大,主要用在發電機組上或作為備用能源。近來由於技術的提升,有逐漸小型化的趨勢,並運用於電動車輛等領域。

此外,若以電池中電解液的酸鹼度來區分,則電池的種類又可以分為鹼性、酸性以及中性電池。上面所提及的都是將化學能轉換成電能的電池,如果我們所使用的是太陽能轉換成電能的電池,那就是太陽能電池了。

電池的發展導因於我們對生活的需求,因此,隨著各種科技產品與各式攜帶型電子產品等的開發,以及對環境保護的要求,現有電池的生態勢將產生極大的改變。

電雙層電容器 當我們在二電極施加一電壓時,在電極和電解質二者接觸的界面極小厚度內,正負電荷會呈現相對排列,而形成雙電荷層現象,此時二電極間的系統類似於二次電池的充電過程。而當二電極所施加的電壓去除時,雙電荷層中原先所累積的電荷便會往溶液中移動,產生電荷中和,並釋放出能量,此時二電極間的系統類似於二次電池的放電過程。

上述系統因為具有利用電雙層原理來儲存預備的能量,故稱為電雙層電容器。又因為此類電容器具高放電能力、充電時間快且比傳統電容器高出數百倍的電容量等特性,所以也稱為超高電容器。它的發展源於一九九○年代,是一種新型的儲能元件,具有介於電池和傳統電容器之間的特性。

這種超高電容器與二次電池相比,因為在充放電時,只是將溶液中的電荷吸附在電極表面上,並無任何伴隨的化學反應發生,所以可以用大電流進行急速充放電。目前,電雙層電容器不僅能作為電流1安培以下的供電元件,也可以作為電流1安培以上大的供電元件。超高電容器在很寬的溫度範圍內,表現出穩定的充放電特性,並不會像電池有嚴苛的溫度限制;與電池相比,也較不容易起火,危險性很小;另外,對環境也不會產生污染。

電雙層電容器的發展,目前正逐漸使其在某些情況下,能代替電池或者是將電雙層電容器和電池組合應用,以便用於需要大功率、大電流的產品上,如家電、電腦、汽車、自動控制、航空、太空等。

電化學在未來能源中扮演什麼角色?

過去十年來,人類所關心的三大議題為科技、能源及環保。

在科技方面,幾乎任何電子產品均朝向輕薄短小且高效能的目標邁進,對於印刷電路板的銅箔電鍍,或是積體電路裡高密集、高堆疊的導線沉積,甚至是擔任高科技電子產品心臟任務的電池等,在性能及品質上的要求勢必會更加嚴苛。因此,如何在電化學技術與光學、表面技術間做更密切的合作,尋求更快速且複雜的電子反應,跨越一道又一道電子產品的製作瓶頸,實是當前的一大課題。

在能源與環保方面,以往化石燃料太過融入我們的日常生活中,由於石油與天然氣總量有限,且地球日益溫暖化之下,如何以更有效率且更乾淨的電力來取代內燃機,這個深具挑戰性的課題也益形重要。目前,這方面的最大阻力乃在於如何製作出一個重量輕、堅固、耐久、便宜且功率高的電池。因此,電化學在未來的能源系統裡將扮演一極重要的角色。

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