電池研究超前部署—全固態鈉二氧化碳電池

 

刊登日期:2021/5/12
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王恕柏、仝梓正、劉如熹/台灣大學化學系;胡淑芬/台灣師範大學物理系
 
藉由二氧化碳作為反應氣體,鈉二氧化碳電池因其於火星探索中之潛在應用與溫室氣體之有效利用而備受關注。然鈉二氧化碳電池為一開放體系,使用傳統液態電解質將存在電解液揮發與漏液等問題,且因液態電解質之熱穩定性差而具潛在之安全問題。故本文以固態電解質取代液態電解質組成鈉二氧化碳電池,提升電池安全且避免電解質漏液或揮發等問題。
 
前言
自18世紀工業革命後,人類對於能源之需求日益俱增,目前全球仍仰賴石油、天然氣與煤等化石能源作為日常供電所需,然燃燒化石能源將產生大量溫室氣體排放至大氣中,造成全球暖化與極端氣候等問題,且影響最大者為二氧化碳之濃度急遽提升。因化石能源之過度開採,其即將於未來之二至三百年內耗盡,故近年科學家致力於開發綠色再生能源,以減少二氧化碳之排放與降低石化能源之消耗。
 
電池為最常見之儲能系統,其中以鋰離子電池為主流,其具體積小與能量密度高(約300 Wh kg-1)之優勢,並廣泛應用於行動電話與筆記型電腦等電子產品。然因地球鋰資源稀少與成本昂貴,且鋰離子電池之能量密度無法滿足未來電動車所需,故須以能量密度高之替代金屬電池取代鋰金屬為發展目標。近年來因鈉資源具地球含量高與成本低廉之優點,鈉電池已成為綠色能源之熱門重點之一。其中,鈉二氧化碳電池因其高能量密度(1.13 kWh kg-1)與二氧化碳之有效利用而備受關注,且二氧化碳於火星中大氣佔有率近95%,鈉二氧化碳電池亦可作為未來火星探索之可靠能源供給。然鈉二氧化碳電池主要使用液態電解質(如醚類與碳酸酯),因其本身之易燃性而具安全性問題與電解液之潛在外漏,此一現象於開放式電池系統中更為嚴重,液態電解液更容易揮發,限制鈉二氧化碳電池之實際應用。本文將闡述鈉二氧化碳電池之發展,並說明以無機固態電解質取代有機電解液,同時解決陰極與固態電解質間接觸性差,以提升電池循環性能。
 
固態鈉二氧化碳電池介紹
Hu等人於2016年發表首篇鈉二氧化碳電池,於室溫下可進行穩定充放電,如圖一所示,其使用四乙二醇二甲醚作為電解液與經四乙二醇二甲醚修飾潤濕之多壁奈米碳管(t-MWCNT)作為陰極材料並塗層於鎳網。藉原位(in-situ)拉曼光譜、異位(ex-situ)X光繞射與X射線光電子能譜儀證實放電產物碳酸鈉之可逆分解與形成,並藉銀奈米線陰極證實另一放電產物碳之存在與可逆性。由上述實驗之結果,其提出較廣為接受之鈉二氧化碳充放電之機制:4Na + 3CO2 ⇄ 2Na2CO3 + C。
 
圖一、經四乙二醇二甲醚修飾潤濕之多壁奈米碳管
圖一、經四乙二醇二甲醚修飾潤濕之多壁奈米碳管,其中(a)鈉二氧化碳電池之示意圖、(b)經四乙二醇二甲醚修飾潤濕之多壁奈米碳管SEM圖、(c)經四乙二醇二甲醚修飾潤濕之多壁奈米碳管HRTEM圖、(d)鈉二氧化碳電池於電流密度為1 A g-1之充放電圖與(e) 鈉二氧化碳電池之CV圖
 
Hu等人於2017年首度以聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(poly(vinylidene fluoride‐co‐hexafluoropropylene); PVDF-HFP)摻入微量二氧化矽與過氯酸鈉(Sodium Perchlorate; NaClO4)為主體,並於其中包覆四乙二醇二甲醚液體作為準固態電解質,其為提高奈米碳管之反應活性,將多壁奈米碳管置於四乙二醇二甲醚中,並於100度下加熱攪拌以獲得活化多壁奈米碳管(a-MWCNT),經由拉曼光譜與傅立葉轉換紅外光譜證實四乙二醇二甲醚溶劑已滲入活化多壁奈米碳管之內壁,且由密度泛函理論計算之結果得知,活化多壁奈米碳管對二氧化碳之吸附能(-0.32電子伏特)大於原始多壁奈米碳管對二氧化碳之吸附能(-0.17 電子伏特),有助於CDRR之進行,如圖二所示。雖於實驗中證實此電解質具足夠之導電度,且聚合物之包覆有效改善其熱穩定性,然準固態電解質中殘留之溶劑仍具安全隱憂。
 
圖二、(a)原始奈米碳管與活化奈米碳管之拉曼光譜圖;(b)傅立葉轉換紅外光譜圖;(c)二氧化碳之吸附能對應原始奈米碳管與(d)活化奈米碳管之示意圖
圖二、(a)原始奈米碳管與活化奈米碳管之拉曼光譜圖;(b)傅立葉轉換紅外光譜圖;(c)二氧化碳之吸附能對應原始奈米碳管與(d)活化奈米碳管之示意圖
 
Wang等人於2018年以聚乙二醇(Polyethylene Oxide; PEO)摻入微量二氧化矽與過氯酸鈉作為固態聚合物電解質(solid polymer electrolyte)組成固態鈉二氧化碳電池,如圖三所示,聚乙二醇具良好之化學與電化學穩定性,於電流密度為…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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