金屬空氣電池之技術與應用現況

刊登日期:2015/11/5
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金屬空氣電池憑藉其高能量密度、環境友善與低成本等特性,被視為未來極具發展潛力之儲能技術。本文介紹儲能技術需求與金屬空氣電池基本特性,並深入介紹其空氣電極運作機制、國際趨勢及彙整目前技術研發現況,並於文末說明工研院綠能所於鋅空氣電池之研發成果。

金屬空氣電池的結構與機制
金屬空氣電池是以空氣中的氧氣作為電池的反應物,相較於一般電池,金屬空氣電池結合了傳統乾電池與燃料電池的特性,以活性較高之固態金屬,如鋅、鋁、鎂、鈉、鋰金屬等作為陽極;以鹼性或中性鹽類水溶液作為電解液;陰極為空氣擴散電極,為空氣或氧氣進入之位置,藉由氧化還原反應,使陰陽極間具有一電位差而產生電能,結構如圖二。

空氣中的氧氣進入電池中,於陰極上參與電化學反應,在此過程中氧氣會被消耗,故須不斷地從外部空氣中取得氧氣,而氧氣可由環境中的空氣取得,相較於其他種類電池,金屬空氣電池之能源成本相對便宜,也由於氧氣由空氣中補給,並不需要儲存於電池中,故電池裝置可以達到輕量化,進而提升應用範圍。金屬空氣電池的反應物為空氣中的氧氣,但氧氣無法快速進行反應,需由陰極上的觸媒來進行電子轉移,進而產生氧化還原反應使電池運作。



圖二、金屬空氣電池結構圖

工研院綠能所鋅空氣電池研發成果
工研院投入空氣電池之研究,首重於提高電池能量效率,細究充放電電壓效率主要影響因素為空氣電極之過電位,亦即充電時的氧氣生成反應( OER ),與放電時之氧氣還原反應( ORR )過電位影響,因此,找尋適切之複合式空氣觸媒降低兩項反應之過電位,來提高整體電池的充放電電壓效率,至於庫倫效率之提升關鍵在於陽極金屬材料之選擇與設計。整體而言,工研院對於空氣電池之陰、陽極材料製備、鑑定以及其陰極觸媒 OER、ORR 催化效能均投入相當之研發能量。

於空氣電極設計上,並不僅止於觸媒開發,而必須以整體電極作為考量,包含氣體擴散層( GDL )、導電碳材、黏著劑及分散劑之選用均影響電池之充放電電壓效率。此外,電極壽命同為重要觀察指標,習知燃料電池電極塗佈技術固然可應用於空氣電池空氣電極使用,然而,空氣電極與燃料電池卻不全然相同,空氣電極需承受長期浸潤於鹼性電解液中之挑戰,觸媒剝落將影響電壓效率與壽命。

基於以上考量,工研院以自製高效率複合式錳氧化物觸媒,將電壓效率提升至國際水準的 71%@20 mA/cm2(如圖四),其分別充放電電壓平台約為 1.82V/1.31V。此外,為提高電池循環壽命,亦嘗試利用電化學沉積法將觸媒直接成長於集電層上,簡化空氣電極之組成以便於商業化製程利用,全電池於 10 mA/cm2電流密度測試條件下,其循環壽命目前經過 1,200次循環,庫倫效率仍高於 80%(如圖五) ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖四、鋅空氣電池全電池充放電電壓與時間關係,充放電電壓效率高於71%

作者:李奕成、鍾孝平、張文昇、楊昌中/工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」347期,更多資料請見下方附檔。


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