薛康琳 教授

聯合大學能源工程學系

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近年隨著再生能源，如風力、太陽光電的興起，以及微電網，智慧電網、分散式發電等等開始推廣，電網供電的品質與穩定性受到極大的挑戰。由數十kW、MW甚至GW等級大型儲電的需要日漸迫切。金屬空氣電池在儲電上的應用逐漸受到重視。原因之一是它使用卑金屬，例如鈉、鎂、鋁等鹼土金屬。這些金屬在地表上有很高的蘊藏量，未來大量運用，沒有匱乏的顧慮。以這些金屬製成的電池在建置價格與儲電成本上都應該很低。符合未來低成本儲電的要求。此外，這些金屬空氣電池的理論電量密度或能量密度(1,000 – 6,000 Wh kg^-1)都比現有電池高出許多(圖1 )。目前鉛酸電池約在20 – 55 Wh kg^-1，鎳氫電池約在50 – 80 Wh kg^-1，鋰離子電池約在90 – 210 Wh kg^-1。 因此這些電池在大型儲電上所需的土地資源或空間需求很小。目前電網儲電使用水庫抽蓄發電。它受限於地質結構，不可能因需求就地興建。此外它的儲能能量密度非常的低(約0.1 – 1 Wh kg^-1)，需要數十公頃以上的土地以及上、下池數百公尺落差。卑金屬空氣電池價廉，來源不慮匱乏，高能量密度可隨需要興建。它在未來大型儲電上的應用，頗具潛力。

      

圖1  各種儲電種類的能量密度(□現有能量密度、○理論能量密度)。

 

金屬空氣電池的負極的活性物質是金屬，正極是與空氣接觸的多孔碳材。在放電時(圖2左)，負極金屬氧化成金屬離子、金屬氧化物或氫氧化物。正極將空氣中的氧還原成水或是氫氧根離子。充電時，正、負電極的逆反應發生(圖2右)。目前比較受矚目的金屬空氣電池有：鋰空氣電池、鎂空氣電池、鋁空氣電池、鋅空氣電池。由於鋰、鎂、鋁等金屬的氧化電位都要比水分解產氫電位要高，因此金屬與水溶液接觸就會將水分解產生氫氣。金屬空氣電池對此需要特殊的考量與設計。金屬空氣電池的結構設計，由電解質可分成四種(1)非質子性(Aprotic)或非水系電解質，(2)水系電解質，(3)混合型電解質，(4)固態電解質。以鋰空氣電池為例：

1. 使用有機溶劑或離子液體等非水系電解質，Li會直接氧化成Li⁺離子，在空氣電極上與氧結合成氧化物，總反應為 2 Li + O₂ → Li₂O₂。
2. 使用水系電解質，鋰電極表面需要有一層固態電解質介面(SEI, solid electrolyte interface)保護。氧化的鋰離子(Li⁺)透過SEI接觸到水系電解質並在空氣電極上形成氫氧化物，總反應為 4 Li + O₂ + 2 H₂O → 4 LiOH。
3. 混合型電解質是在金屬端用非水系電解質，在空氣電極端用水系電解質。非水系與水系電解質之間用導金屬離子的隔離膜分隔這兩種電解質。鋰金屬氧化成Li⁺，透過隔離膜到空氣電極端與空氣結合成氫氧化物，總反應為 4 Li + O₂ + 2 H₂O → 4 LiOH。
4. 固態電解質，使用傳導鋰離子的玻璃陶瓷化合物，如LiSICON等將Li⁺傳遞到空氣電極端。總反應為 2 Li + O₂ → Li₂O₂或4 Li + O₂ → 2 Li₂O。

 

圖2  金屬空氣電池充放電示意圖(左圖放電、右圖充電)。

 

金屬空氣電池有高能量密度、低成本、蘊藏量豐富的優點，但是由於金屬電極與空氣電極所需要的電解質特性不同，因此要用上述不同的電池結構設計來克服這問題。目前只有鋅空氣一次電池可在市面上買得到，其他金屬空氣電池都還處在實驗室研發中。這些可充放電的金屬空氣電池尚有許多技術上的問題需要克服。

 

參考文獻

1. Md. Arafat Rahman, Xiaojian Wang, and Cuie Wen, “High Energy Density Metal-Air Batteries: A Review”, J. Electrochem. Soc., 160 (10) A1759-A1771 (2013)

2. Chen-Xi Zu, and Hong Li, “Thermodynamic analysis on energy densities of batteries”, Energy Environ. Sci., 4, 2614 (2011)