第256期

未來儲能新星 鋁離子電池

工研院與美國史丹佛大學合作,共同開發「鋁離子電池」,突破既有的電池系統,研究成果登上英國「自然」期刊,2016年11月更獲得有科技業奧斯卡之稱的百大科技研發獎。

未來儲能新星 鋁離子電池

記者 張巧宜 報導  2016/12/18

面對全球能源危機,沒有足夠能源可供開採的台灣該如何應對,成為工業技術研究院「綠能與環境研究所」極欲解決的課題。工研院與美國史丹佛大學合作,共同開發「鋁離子電池」,突破既有的電池系統,研究成果於2015年4月登上英國「自然」(Nature)期刊,2016年11月更獲得有科技業奧斯卡之稱的百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。


登上英國期刊的鋁離子電池。(圖片來源/工研院
 

儲能需求 發展新電池

身為台灣最大的燃料電池研究團隊,工研院擁有15年以上的開發經驗。2012年,團隊發現再生能源的儲能需求。目前雖然可以用電解水產生氫氣,用儲氫的方式供應電力,但問題在於氫氣發電的效率太低,整體能源轉換的效率只有30~40%,難以成為主要的儲能技術。所以團隊開始思考,有沒有其他的方式能夠取代氫氣儲能。

雖然水庫和地底下的洞穴可以儲能,且成本低,但台灣不容易找到適合的環境建造新水庫,或是大型的地底壓縮空氣場。團隊研究文獻之後,發現台灣也許適合發展模組化生產的電池技術。要討論再生能源儲能,得先從電池的選擇開始著手。

汽機車電瓶中使用的鉛酸電池,技術成熟,但開採具有汙染性,回收後的鉛也有環境問題;鋰電池有爆炸的危險,且鋰是不常見的金屬,如果要提供給現有的設備使用,將來還要供應再生能源儲能,有蘊藏量不足的問題。

於是研究團隊開始尋找其他金屬做為原料。2010年,團隊看到一篇關於電池材料蘊藏量與成本的分析,決定以鋁、鋅、鈉三種材料開始研究,綠能所技術副組長楊昌中博士解釋:「假設有一天全世界都在做再生能源,全世界都需要儲能,如果用這三種元素來當電池,絕對不會不夠用


尋找適合材料 新突破獲肯定

鋁電池的特色,是以鋁作為電池負極的材料。問題在於能不能找到一個好的電解質,做長壽命的充電和放電 ,也就是電化學的融解跟沉積。團隊先從文獻中篩選適合的電解質,發現離子液體應該是個好的材料,可以讓鋁產生作用,試驗了好幾種有潛力的離子液體,最後才選擇EMIC(1-ethyl-3-methylimidazolium chloride)這個鹽類做為電解質。這種鹽類常溫下為液體性質,具高熱穩定性。

「在研究正極材料時,我們遇到了很大的困難。」楊昌中說道。研究一開始以模仿鋰電池為方向,所有鋰電池的正極材料都是氧化物,但通常氧化物不導電,不導電就不能當電極。當時團隊評估五氧化硼(B2O5)可能可以做為鋁電池的正極,但因為導電性很差,所以團隊那時候很單純的思考,有沒有可能把五氧化硼奈米化,再去跟類似石墨烯這種高導電的碳材料去做摻混。藉由複合材料去改善它的導電性,希望能產生電池反應,但仍以失敗告終。

尋找正極材料的路非常艱辛,洽好史丹佛大學專門研究碳材料的戴宏杰教授有意願跟工研院合作。於是工研院派人到戴宏杰的實驗室把氧化物做奈米化,再和各種碳材料做摻混,改善導電性。跟史丹佛的合作起初不順利,因為氧化物在鋁電池中不是一個好的正極材料,就算把大的塊狀顆粒奈米化,錯誤的材料就是不會反應。

儘管失敗多次,團隊繼續試著用不同的添加劑,如石墨烯、碳管、碳、石墨去調整氧化物的導電性。實驗多次,在某一些樣本中發現了電池反應,再去思考為什麼這些樣本跟別人不一樣,才確定石墨是真正的正極材料。試驗非常多種石墨後,發現一定要是晶格結構完美、高品質的石墨才會有鋁電池反應。


從左到右為鋁電池材料,電解液、海綿狀石墨、鋁片。(照片來源/張巧宜攝)

2013年年底,發現石墨是正確的電池正極材料之後,團隊先後投稿至「科學」(Science)以及「自然」期刊。但因為只是做出一個現象,還沒有辦法證明電池的工作原理,所以被拒絕刊出。後來花了8個月的時間,經過更深入的研究,用拉曼光譜分析確定是什麼樣的物體在石墨中產生插嵌反應(離子插入石墨中產生嵌入化合物,具可逆性)。2014年8月,團隊再一次將研究成果投稿「自然」期刊,成功在2015年4月份刊出,獲得國際肯定。
 

鋁電池的優勢與劣勢

鋁電池的基本結構,是以鋁金屬片做為負極,3D結構的海綿狀石墨為正極,電解液由EMIC和AlCl3(三氯化鋁)組成,利用石墨層層相疊的結構,鋁離子可以快速的嵌入或嵌出,高速地充放電。


鋁電池的充放電原理。(圖片來源/Nature

鋁電池的優勢在於電極材料上的使用,鋁和石墨屬於蘊藏量豐富、價錢便宜的材料;電解液的離子液體蒸氣壓很低,溫度升高的時候,沒有爆炸失火的危險性;再來就是沒有用到貴重金屬,將來電池量產時,價錢會比現在的鋰電池還要便宜;相關元素的開採,也不像鉛酸電池有污染性,相對上來講比較環保;另外海綿形狀的石墨可以讓電池產生高速充電的效果。

在實際應用上,研究所購買電動腳踏車,將其內部的鉛酸電池拿掉,安裝上14V/2Ah(工作電壓:14伏特,電池容量:2安培小時)電池,能夠成功驅動電動腳踏車,且可於八分鐘內充電完畢,為傳統鉛酸電池所需時間的1/20。


鉛酸電池(左)與工研院自製鋁電池(右)。(照片來源/張巧宜攝)

但鋁電池的缺點在於負責轉移電荷的離子(AlCl4¯)體積很大,石墨的層間有距離的限制,如果在一個層間中插進去一個比較大的離子團,會讓上下的間隙縮小。所以假設有一個離子插嵌,上面跟下面的石墨間隙會變窄,其他離子就更不容易插進去。以鋰電池來說,每6個碳可以分到1個鋰的正離子,可是對於鋁電池而言,每30幾個碳才可以分配到鋁跟氯的負離子,石墨的利用率比較差,這也反映出鋁電池能量密度不高的問題。

整體而言,鋁電池的優勢大於劣勢。雖然以目前的技術無法取代鋰電池,但鋁電池最初就是為了儲能而開發,沒有要走消費性電子產品的市場。綠能所重視的不是能量密度的高低,而是環境的永續發展。
 

儲能潛力新星

依據國家的能源發展目標,十年後再生能源將占台灣用電量比例的20%,到時儲能需求將大增。鋁電池具有替代傳統鉛酸電池的潛力,未來可應用於汽機車電瓶、電動車的動力來源,還可搭配再生能源的發電機組,作為儲能設備使用。

目前綠能所希望一邊製造鋁電池取代鉛酸電池,一邊繼續研究,產生良性循環,先用現有的版本做產業化,讓更多廠商投入研究、生產相關的零件。假使有一天,鋁電池有新的材料配方產生,那可以很容易地導進市場。環保意識抬頭,鋁電池不只能取代具汙染性的鉛酸電池,也對再生來源的儲能發展帶來一道曙光。

記者 張巧宜
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記者 張巧宜