李宙澄、許峻綜、楊昌中／工研院綠能所
鋁離子電池得利於發泡石墨及高導電率離子液體電解質之使用，成為可實現具高功率運作，且具長效循環之高安全性儲電系統。其中，石墨作為電池之正極材料，其成長參數之差異，更是決定元件性能之關鍵。本研究發現，於發泡鎳基材成長石墨面密度達相對4倍以上時，活物重量面密度上升的斜率將趨緩。此外，若為功率導向應用(>50C)，建議選擇以面密度 360 g/m2以下之基材為佳，而高面密度(420~480g/m2)基材，則可同時符合高能量輸出及高功率操作之要求。
【內文精選】
前 言
配合產業升級轉型與永續發展之願景，近年政府積極推動發展再生能源，並訂下於2025年達成 20%再生能源發電的目標。應對再生能源占比提高，也凸顯其間歇性、季節性、地域性，以及日夜發電效率等缺陷。為減緩電網衝擊、提高發電效率、活化電力調度，儲能技術導入將是重點，而儲能技術的單位比容量性能與裝置成本的下滑，則是整體配套推廣之關鍵。
鉛蓄技術發展至今已超過150年，其產業供需結構穩定、生產技術成熟與成本低廉等優勢，使之長期居市場領導地位。然而，元素毒性、不可快充、不可深度放電及耐候性質不佳等特質，也使其無法成為再生能源發電可長可久的調度應用。
是以，鋰系儲能技術應用隨之而興，當前國際知名大廠有：Samsung SDI、LG Chem、Toshiba、Panasonic及BYD等。據TrendForce報導，儲能應用與電動車的普及率，將顯著影響鋰電池發展走勢；雖隨新技術演進，鋰系儲能對於貴金屬的依賴量可降低；然鋰元素存量有限且具地緣政治關係，倘未有妥善回收技術與之搭配，未來仍不免會有價格飆升的可能性。
因此開發低成本且具高使用效益的電化學存儲系統，如鎂、鈣、鈉、鋅和鋁系儲能技術，即成為必要之趨勢。工研院自2014年投入鋁二次電池研發，成功利用低成本快充石墨材料、離子液體電解質多元組合選擇，實現具高功率運作、可長效循環成果且具高安全性之儲電系統，是新式分散式儲能技術的生力軍。
為進一步明晰基材(Substrate)的面密度(Areal Density)，對於石墨成長，及其後續應用於鋁電池(Aluminum-ion Batteries)之能量密度，與功率運作間的相對關係，本文系統性研究：各式面密度基材之微觀形貌、石墨成長參數效應（如：固定成長時間、固定成長重量）、同樣基材不同石墨重及不同基材同樣石墨成長重之倍率性能探討。
結果與討論
1. 各式面密度基材之微觀形貌
泡沫鎳的面密度指數，主要以單位面積上的重量來作區別，本研究採用之泡沫鎳面密度，分別為 280、360、420、480 g/m2，基材厚度則均為0.3 mm。透過SEM觀察表面形貌，泡沫鎳微觀結構呈交叉網絡支架狀，且隨泡沫鎳面密度變高，其支架的寬度也有稍微變大；如圖一(a)所示，280 g/m2之泡沫鎳基材，骨架寬度約 55~58μm，其他如 360、420、480 g/m2 基材則依序為 61~67μm、70~79μm、60~80μm。除支架寬度隨基材面密度增加稍微提升之外，交叉的網狀支架明顯變得更密集，形成之孔徑也逐漸縮小。圖二為泡沫鎳基材橫切面之形貌，可觀察到各面密度之泡沫鎳，橫截面堆疊層數差異不大，均約為 4~5層，縱向支架的寬度同樣約為 60μm上下。此外，也可發現單一支骨架的結構為三角空心柱狀。而支架構型與泡沫鎳的生產方式有關；一般生產程序為：先將基底海綿以化學還原鍍方式，將金屬鎳披覆於上，然後再以高溫燒結法移除海綿。
圖二、各式面密度基材：(a) 280g/m2；(b) 360g/m2；(c) 420g/m2；(d) 480g/m2之橫截面形貌
如圖一、圖二所示，泡沫鎳面密度由 280g/m2增加到 480g/m2，除了骨架直徑稍微變粗之外，面密度的增加也將使每一層間的鎳骨架變得更多、更密，換言之，將可提供更多的鎳金屬表面讓石墨成長析出。
3. 同樣基材不同石墨重倍率性能探討
在釐清不同面密度基材對石墨成長條件之影響後，本節將接續探討相同面密度基材下，在個別不同石墨成長重時，其後續於鋁電池應用之倍率性能差異。由於發泡石墨為整片式均勻成長，因此正反兩面均能充分為儲能反應所用。各不同參數條件之軟包電池，均以 500 mA/g (5C)之電流密度進行活化穩定，充放電的電壓上下限為 1.20~2.45 V，待放電容量趨於穩定後，再分別以 200 mA/g (2C)、500 mA/g (5C)、1,000 mA/g (10C)、3,000 mA/g (30C)、5,000 mA/g (50C)及10,000 mA/g (100C)之充放電速率，進行不同倍率性能之測試。
圖四為 280、360、420、480g/m2面密度基材，成長之不同重量的石墨正極，實際組成電池的倍率性能。如圖四(a)所示…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、基材重量面密度(a) 280；(b) 360；(c) 420；(d) 480 g/m2成長不同石墨重之倍率性能
★本文節錄自《工業材料雜誌》408期，更多資料請見下方附檔。