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Take Home Message
．次世代電池是為了突破傳統鋰離子電池限制而發展的新技術，以提升能量密度、縮短充電時間、降低成本並提高安全與環保性為主要目標。
．多孔材料是提升電池效能的核心，其中 MOFs恰巧就是多孔材料，它結構裡的奈米孔洞能大幅增加反應面積，加速離子傳輸，並提供空間緩衝，避免材料在充放電時因體積變化而產生結構崩壞。
．儘管 MOFs 在儲能科技中展現高性能與可調控結構等優勢，但商業化仍面臨多重挑戰。像是合成需要透過精準地控制以及目前量產技術尚未成熟，使成本偏高。另一方面，MOFs 大多是粉末晶體，需要先與聚合物複合才能形成兼具強度與柔性的材料，這也大幅增加製程的難度。

要了解 MOFs 與電池的關聯之前，讓我們先理解什麼是次世代電池 ?

在我們日常生活中，從智慧型手機到電動車，鋰離子電池扮演關鍵角色。然而，隨著科技日新月異，人們對電池的要求也愈來愈高，「次世代電池科技」也因此蓬勃發展。

如果說鋰離子電池是智慧型手機時代的代表，那麼次世代電池就是電動車與綠能時代的關鍵技術。簡單來說，次世代電池指的是超越傳統鋰離子電池性能，並解決現有問題的新型電池技術。這些問題包括能量密度不足〔註〕、充電時間長、成本高昂，以及安全性和環保等問題。

〔註〕在單位體積或單位質量內所能儲存的能量大小。

圖一｜鋅銅電池的電化學原理

圖一｜電動車中鋰離子電池的基本構造與放電機制（作者提供）

次世代電池有哪些 ?

雖然「次世代電池」涵蓋了多種不同的技術，但它們在基本運作原理上都與我們熟悉的傳統電池有著異曲同工之妙，也就是透過電化學反應來儲存和釋放電能。而目前，所有電池的核心都包含以下幾個主要元件：

1. 正極 ：通常是電池中發生還原反應（獲得電子）的地方，可以接收負極放出的離子或電子。
2. 負極 ：通常是電池中發生氧化反應（失去電子）的地方，可以釋放離子或電子。
3. 電解質：位於正、負極之間，是離子在電池內部移動的介質。
4. 隔離膜：通常介於正負極之間，防止兩極直接接觸造成短路，同時允許離子通過。

儘管原理相同，次世代電池的「新」主要呈現在對上面提到的元件材料選擇與結構設計上進行創新和改良，以下舉幾個有名的例子。

● 固態電池（Solid-state Battery）
它將傳統的液態電解質替換為固態材料。這不僅大幅提升了安全性（避免漏液和燃燒），固態電解質緊密的結構也允許使用更高能量密度的電極材料（例如金屬鋰），更好地抑制充放電過程中鋰枝晶的生長，以提升電池的能量儲存能力，而這也正是電動車續航里程更長的主要原因。

● 後鋰離子電池（Post-lithium-ion Battery）
其原理與鋰離子電池幾乎相同，但用鈉（Na⁺）、鉀（K⁺）、鎂（Mg²⁺）、鋅（Zn²⁺）等金屬離子取代了鋰離子。這些金屬元素的原子量比鋰大，能量密度通常會略低於鋰電池，但在地殼中的儲量極為豐富且分布廣泛，製造成本也更低。此外，它的化合物毒性遠低於鋰（Li）、 鈷（Co）等材料。在製造、使用和報廢後，對環境的衝擊也較小，更符合永續發展的趨勢。因此，鋰離子電池更適合用於需要大規模儲能的應用，如電網的儲能系統，而不是對體積和重量有限制的電動車以及行動裝置。

● 鋰硫電池（Lithium-sulfur Battery）
使用硫（S）作為正極材料。硫的理論能量密度遠高於傳統鋰電池的正極材料，這代表相同重量下，電池能儲存更多能量。然而，硫在充放電過程中會產生體積變化，導致結構不穩定和壽命衰減，這也是目前科學家正在努力解決的主要技術瓶頸。……【更多內容請閱讀科學月刊第673期】