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。