國際儲能設備市場隨著再生能源與智慧電網逐漸擴大而興起,也帶動各式高安全、低成本的新穎電池研發。本文介紹之鋁電池即是針對再生能源儲能而設計,使用蘊藏豐富、價格低廉的鋁金屬及石墨為主要材料,採用安全難燃的離子液體電解液,使得鋁電池同時滿足安全性、高充放電效率、逾萬次耐久壽命及高倍數的電流耐受能力,適合用於減緩再生能源劇烈變化造成之電網衝擊。
本文將從以下大綱,介紹鋁電池市場前景,以及工研院發展鋁電池之關鍵材料技術。
‧鋁電池因應全球再生能源趨勢
‧鋁電池關鍵技術
1. 鋁電池正極材料:發泡石墨與天然石墨
2. 鋁電池電解液:離子液體
3. 鋁電池電池芯模組開發與電芯設計技術
4. 國際鋁電池專利布局狀況
‧結論與展望
【內文精選】
鋁電池因應全球再生能源趨勢
全球儲能運用市場在2015年大幅成長,各國政府看見儲能技術對能源轉型的幫助與潛在市場機會,紛紛祭出政策刺激儲能導入。根據彭博新能源財經於2017年預估,2030年全球累積儲能裝置量將成長至125 GW/305 GWh,在此期間,國際總共將投資1,030億美元安裝各式儲能設備。
具備大型化安全設計理念的鋁電池(Aluminum Battery),使用安全性高的離子液體(Ionic Liquid)電解液,即便是電池經過穿刺、剪破等劇烈破壞,也不會因為短路產生電池本體的失火疑慮,有助於再生能源儲能(Renewable Energy Storage)系統的大規模使用。
工研院自2015年將鋁電池成果發表於國際知名期刊《Nature》後,於2016年榮獲百大科技研發獎(R&D 100 Awards)、2017年榮獲愛迪生獎(Edison Awards)能源與永續類別銀牌肯定,使鋁電池廣受國內外媒體重視報導,是儲能電池技術的潛力新星。
鋁電池關鍵技術
1. 鋁電池正極材料:發泡石墨與天然石墨
工研院曾測試不同石墨化程度的碳材料,這些材料包含天然石墨、人造石墨、軟碳與硬碳等,並盡量挑選粒徑均勻、比表面積1~4 m2/g、振實密度0.9~1.5 g/cm3之間的樣本,以確保實驗間可靠度的比較性。利用拉曼散射光譜圖的D-band(~波數1,360 cm-1)與G-band(~波數1,580 cm-1)的比值,即ID/IG,作為石墨化程度判斷依據;ID/IG越小,表示其碳材的石墨成分越多,石墨化程度越高。如表二所示,ID/IG最小(即石墨化程度最高)的碳材,在電流密度為100 mA/g的條件下,比電容量最高達97.7 mAh/g;提升電流達10倍,即1,000 mA/g,其比電容量為34.4 mAh/g,充放電表現最佳。碳材無序的結構增加,亦即ID/IG提高,該電池的比電容量即大幅降低。根據工研院測試各類碳材,顯示天然石墨最佳,人造石墨次之,其次為軟碳及硬碳。
表二、不同石墨化程度之鋁電池性能
2. 鋁電池電解液:離子液體
離子液體電解液亦為鋁電池的關鍵材料之一,除了提供離子傳導的路徑也是活性物質的來源。因離子液體具備:①電位視窗大、電化學穩定性佳;②低熔點、高沸點,溫度操作區間大;③低蒸氣壓等特性,使得鋁電池具有優異的安全性。
2008年日本京都大學利用氯化鋁(Aluminum Chloride, AlCl3)與氯化1-乙基-3-甲基咪唑(1-ethyl-3-methylimidazolium Chloride, EMIC)混合而成之離子液體,研究鋁的電化學沉積與溶解反應,庫倫效率最高達到70%,效果並不好,因而錯失了提早誕生鋁電池的機會。2012年工研院與中央大學合作,重新研究鋁金屬於EMIC-AlCl3離子液體中的電化學行為以及其氧化還原可逆性,使用高純度、無水離子液體,初步驗證循環2,000次後庫倫效率大於95%,從而開啟了鋁電池的新天地。
另外一種成本較低的離子液體電解液,可選用與EMIC結構相近之氯化1-丁基-3-甲基咪唑(1-butyl-3-methylimidazolium Chloride, BMIC)。表四以天然石墨,搭配BMIC-AlCl3離子液體進行鋁電池性能測試,調整不同的天然石墨塗層厚度,以改變單位面積的碳層重量。可發現碳層重量7、9、10及12 mg/cm2的鋁電池,隨著石墨電極的碳層面密度越高,導致氯鋁酸根離子在碳層之間的擴散阻抗越大,不利於氯鋁酸根離子於石墨層間插層或脫嵌,使得其比電容量依序下跌,分別為105、88、82及60 mAh/g。進一步針對碳層重量10 mg/cm2的鋁電池,改變其充放電電流密度,如圖四所示,於充放電速率小於300 mA/g,其比電容量維持於70 mAh/g以上,充放電速率越高則比電容量明顯下降。提高至1,000 mA/g,再降低充放電速率至100 mA/g,其比電容量仍可回復至原始82 mAh/g,顯示其優異的回復性能...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖四、使用BMIC電解液之鋁電池充放電曲線
作者:楊昌中、江建志、張家銘、邱勝正、許峻綜、黃茂嘉、林琮祐、陳芸夆/工研院綠能所;王孟傑/工研院產科國際所
★本文節錄自「工業材料雜誌」384期,更多資料請見下方附檔。