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。 Download檔案下載 加入會員 分享 轉寄 聯絡我們 延伸閱讀 新開發具可撓性之透明電池 新開發低成本、高活性之鋅空氣電池用氧化物 以細菌之力發電的紙電池，可望活躍於IoT時代 日本產官學研攜手展開次世代電池之開發 延長鋰離子空氣電池壽命之技術 熱門閱讀 NEPCON JAPAN 2019 日本東京特別報導系列一 NEPCON JAPAN 2019 日本東京特別報導系列三 NEPCON JAPAN 2019 日本東京特別報導系列二 Smart Energy Week 2019 日本現場報導系列一 Smart Energy Week 2019 日本現場報導系列二 相關廠商 金屬3D列印服務平台 名揚翻譯有限公司 銀品科技股份有限公司 友德國際股份有限公司 桂鼎科技股份有限公司 喬越實業有限公司 正越企業有限公司 誠企企業股份有限公司