李守仁/ 健行科技大學；白立文/ 工研院材化所
近年來高容量化已成為電池的研究重點。相較於鉛酸電池、鎳氫電池，鋰離子電池的出現明顯地提升了電池(以質量為基準的)能量密度，其後，隨著市場容量需求的遞增，不斷地驅動了鋰離子電池的進階研發，不同先進材料接續提出，其中尤以正極材料，有如雨後春筍般的開展。然而，以鋰為主體之二次電池畢竟存在著容量極限，逾越此極限，則不得不寄望於其他材料的電池系統。本文簡介日本NEDO 於 2013年提出的電池發展藍圖中，目前仍持續研發中的多種前瞻電池構想，包括鋰硫電池、鈉離子電池、金屬空氣電池與多價陽離子電池等革新電池；文末一併介紹因未採用液態電解液，而具較高安全性的全固態電池。
鋰硫電池
鋰硫電池是以鋰金屬為負極、硫為正極的二次電池，圖一為鋰硫電池示意圖，圖二顯示鋰硫電池的放電特性。
圖一、鋰硫電池示意圖
放電電壓約 2.1V，約為一般鋰離子電池(放電電壓約 3.7V)的 6成。鋰金屬與硫的理論容量分別為 3861mAh/g 以及 1675mAh/g，比傳統鋰離子電池的碳系負極與金屬氧化物系正極活性物質的理論容量高出 10倍。比鋰離子電池輕是此種電池的特色，組成的電池體積較小。作為正極材料使用的硫，天然蘊藏量豐富是鋰硫電池成為未來電池選項的重要原因。
鋰硫電池進行循環充放電時存有下列問題，因而還未能量產：
① 鋰金屬的微粉化，縮短了電池的使用壽命。
② 硫正極的反應中間產物 ( Li2S4 等)會溶於電解液中而與鋰負極發生副反應，可能導致電池容量的減少。
③ 硫正極與反應生成物的水反應，會產生有毒的硫化氫 (H2S)。
有研究團隊利用具獨特多孔結構的特殊隔離膜，可以抑制上述①的鋰金屬微粉化現象；另有研究團隊改採不易溶解反應中間產物的常溫熔融鹽為電解液，藉以抑制上述②的副反應，有效舒緩電池容量的減少;至於③，可藉由於硫正極表面被覆不易透水物質、或是加強電池外殼來改善。在各個研究團隊的努力下，鋰硫電池預計於 2020 年至 2030 年間問世，其電池重量將可減少 1/2 至 2/3，可望應用於智慧手機或電動車等產品上。
鈉離子電池
鋰離子電池使用的鋰，在地殼中的蘊藏量僅有 0.002%，且集中在少數國家(圖三)。當鋰離子電池大量應用於汽車或定置型儲電系統時，很難確保原材料之量與價格的平穩供應。與鋰同屬鹼金族的鈉，則因其資源量豐富而受到青睞。
圖三、全球主要產鋰國家及蘊藏量
鈉離子電池的原理與鋰離子電池的原理相似(圖四)。藉由鈉離子在電池正極、負極間遷移以進行充放電。意即，其構想藍圖為將鋰離子置換為鈉離子的電池架構。然而，鋰與鈉的物理性質畢竟不同，無法完全沿用鋰離子電池的結構。目前鈉離子電池仍處於研究階段，尚未實用化。
欲實現與鋰離子電池性能相當的鈉離子電池，下列難題有待克服---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。★ 相關閱讀：後鋰電池之電池研發(下)