鈉二氧化碳電池介紹：材料世界網

韓智斌、劉如熹／國立台灣大學化學系

近年，環保意識抬頭，各種綠色能源興起。因儲電材料之演進，眾多高電容量電池相繼被研發，鈉空氣電池即為其中一例。因鈉金屬價格較鋰金屬便宜，且生產成本較低，理論電位亦較鋰空氣電池小，故發展鈉空氣電池為現今研究之熱門題材。其中鈉氧氣電池因已被廣泛研究應用，而鈉二氧化碳電池尚於起步階段，其發展仍值得探討。本文重點乃於介紹此新穎材料之鈉二氧化碳電池，並探討其中待解決之鈉二氧化碳電池材料、陰極與電解電化學反應及陽極產生鈉枝晶等問題。

【內文精選】

石油燃料之使用發展至今，引發二氧化碳濃度提高，且已造成溫室效應，故發展綠色能源刻不容緩，目的為減少二氧化碳排放，或進行氣體之捕捉。綠色能源為當今研究主要目標，儲能系統即為其中一環，如充電電池與燃料電池。

雖二氧化碳於空氣中之組成僅0.03%，然於有機電解液中較氧氣易溶解，因此金屬二氧化碳電池研究乃始於討論研究二氧化碳氣體對於金屬空氣電池之影響。此後眾多學者投入研究鋰二氧化碳電池與鈉二氧化碳電池(Na-CO₂ Battery)，Li/Li⁺之氧化還原電位為(-3.0401 V vs SHE)，而K/K⁺為(-2.93 V vs SHE)， Na/Na⁺為(-2.71 V vs SHE)，因鈉比鋰有較弱之路易斯酸性，且有較低之斯塔克溶劑化離子半徑及較高電子遷移率及運輸率，因而得以被科學家研究發展，如圖一所示。金屬二氧化碳電池雖具高能量密度，然此儲能裝置仍具困境尚未解決，如電解液易分解、陰極(Cathode)材料之選用、過電位之優化與增加其循環壽命等。本文將闡明鈉二氧化碳電池之歷史演進，並說明其發展困境及相應解決方法，進而提升其未來商業化之可能性。圖二顯示為目前鈉二氧化碳電池所遭遇之困境，如何解決之課題將於下節闡示。

鈉二氧化碳電池介紹

鈉空氣電池之開發中，學者於研究發現碳酸鈉之生成，進而發展出鈉二氧化碳電池。Hu等人於2016年提出鈉二氧化碳電池，其充放電產物為可逆反應3CO₂ + 4Na ↔ 2Na₂CO₃ + C，作者提出鈉二氧化碳電池放電(Discharge)一般式主要為4Na + 3CO₂ → 2Na₂CO₃ + C，充電(Charge)一般式則為2Na₂CO₃ + C → 4Na + 3CO₂（若無任何副反應），如圖四所示。