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未來的電池特輯:(一) 鈉離子電池

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科技產業資訊室 - 陳姿穎 發表於 2015年9月23日
「人類的進步都被卡在”電池“了!」這句話道盡了鋰離子電池發展的瓶頸,然而,鋰離子電池的應用範圍極為廣泛,大至車用電池,小至手機等電子產品的電池,都是使用鋰電池,鋰電池的能量密度遲遲無法提升使得現有商品無法提升性能,也因電池體積過大而無法降低產品體積;抑或充放電速率的再提升亦能靠著加快充放電解決部分現有問題。研究者不斷找尋改善方法,除了利用新技術──無線充電技術──顛覆現有充電方式外,超越鋰離子電池的新式電池的研發與製造是另項解答。若新式電池能進展到商用規格,更甚之,新式電池搭配無線充電技術將大幅提升現有電子產品性能,車子行駛效率變高,人們出門也不須再帶著行動電源。

圖一:未來的電池特輯:(一) 鈉離子電池

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以下將介紹四種正在發展中的新式電池:鈉離子電池、鋁-空氣電池、鋁離子電池、鎂離子電池,此四種新式電池將有可能商用化,成為「未來的電池」。

早在1980年代開始,鈉離子電池和鋰離子電池是同時發展的,因鋰離子電池的性能優於鈉離子電池,經過近四十年的演進,鋰離子電池早已深入我們的日常生活,從車用電池到可攜式電子產品全都是鋰離子電池的天下,然而,鈉離子電池的發展已停滯幾十年,因此近年來,科學家們把目光又拉回到鈉離子電池,在Nature和持續有鈉離子電池研發的新進展 [1],日本業界Toyota車廠也有鈉離子電池的新聞 [2],期待用現代科技的進步來彌補當年無法突破的瓶頸。

鈉金屬做為電池材料的優點
在鋰以外的電池材料中,就屬鈉最接近鋰的特性,以下是採用鈉做為電池材料的優點[3]:1. 鈉性質與鋰相似:鈉和鋰在週期表中上下相鄰同屬1A族,因此在物理與化學性質上非常相近,且可以部份沿用鋰離子電池的現有技術;2. 鈉成本較低:鈉在地殼中佔有2.64%藏量豐富, 因此鈉的價格為鋰的2%,非常有競爭優勢。

以發展前景最良好的鈉硫電池為例,其成本低廉(硫的產量也非常豐富)、能量密度高、使用壽命長,且循環次數5000次,效率>85%,續航力是現有7倍。

鈉離子電池的構造
鈉離子電池的工作原理和鋰離子電池相似,都是利用陽離子在電池內的電解液中往返正負極以達到放電和充電的效果,因此在正負極中皆必須有能容納鈉離子的結構,以新型鈉硫電池為例 [4],正極為硫和多硫化鈉熔鹽(硫不導電,為填充在導電的多孔碳或石墨中)、負極是熔融狀的鈉金屬,電解質為可傳導鈉離子的Al2O3固體陶瓷電解質。

其實,依據正極物質和電解質的不同,鈉離子電池的電解質又可分為有機電解質和水溶液電解質兩類 [3]:有機電解質在鋰離子電池行之有年,屬高能量高密度的除能系統,但其成本較高且易燃;水溶液電解質價格低廉、安全性高,但是能量密度小,在電網級儲能系統可能極具優勢。

鈉離子電池的缺點
然而,鈉離子電池有以下缺點
1.操作溫度造成安全問題 [5]:在使用時,鈉為熔融態的金屬鈉,因此操作溫度為300~350∘C,若陶瓷電解質有破損,將會產生高達2000∘C以上的高溫,有安全之虞。
2.鈉離子半徑是鋰離子的三倍,因為尺寸較大,所以鈉離子移動速度慢,使充放電時間過長,因此功率密度低 [6]。且因為鈉離子體積較大之故,電極材料易在鈉離子進行多次脫嵌後結構崩塌,電池循環壽命便逐漸終止,雖可用合金、鈦化合物等材料,但是成本較高。
3.電荷傳輸速率和材料穩定性等問題 [6]。

鈉離子電池的進展與未來發展
目前歐、美、日等先進國家或是國際知名廠商均積極投入鈉離子電池研發,如美國PNNL、SNL國家實驗室、日本產業技術綜合研究所(AIST)、日本豐田汽車等;並自2009年後,更於美國已成立兩間以鈉離子電池產品為主的新創公司,分別為Aquion Energy和Alveo Energy公司,其中Aquion Energy獲得美國能源部支持與美國微軟資金挹注,其產品目的主要為開發目標為成本售價達成美國能源部對於儲能電池的終極目標(0.025 USD/kWh/cycle),並實現大型量產化生產,以結合再生能源使用,利於擴大再生能源的普及率 [3]。

日本東北大學與美俄合作,在2014年發表鈉離子電池的固態電解質有新進展的研究[7],能使鈉離子電池降低操作溫度至110∘C左右;2015年日本東京大學的研究團隊發現鈦和碳所構成的層狀化合物,可脫嵌大量的鈉離子,對於快速充電和穩定性都有很大的突破;在2014年IEEE Spectrum 有石墨烯複合材料提供鈉離子電池關鍵性的補救方法 [9];最新的研究顯示(2015/06/09,[10]),利用3D微結構量測發現,尺寸較大的鈉離子可能不會在充放電的過程中,大量降解電池材料特性,鈉離子電池可能在多次循環中顯現其穩定性。

若能突破操作溫度和改良電極添加物以增進電極的脫嵌能力,鈉離子電池是極具商用價值的未來電池。(1570字)

 

參考資料:

[1] Jiajun Wang, Christopher Eng, Yu-chen Karen Chen-Wiegart, Jun Wang, “ Probing three-dimensional sodiation–desodiation equilibrium in sodium-ion batteries by in situ hard X-ray nanotomography”, Nature Communications, 06/26, 2015
[2] “巡航力上看1千公里,Toyota鈉離子電池研發中11/15, 2012http://news.u-car.com.tw/17431.html
[3] 電網級儲能系統及併網控制技術計畫,7/112014http://km.twenergy.org.tw/KnowledgeFree/knowledge_more?id=1068
[4] “鈉硫電池Bai百科,http://baike.baidu.com/view/1934704.htm
[5] “鈉硫電池五大關鍵問題解析,全球電池資訊頻道,2012/09/05http://www.qqdcw.com/content/wjzx/2012/9/5/24092.shtml
[6] 中國儲能網新聞中心,鋰電池世界的四大金剛,中國儲能網,2015/05/23http://www.escn.com.cn/news/show-239891.html
[7] “鈉離子電池之固態電解質新材料,材料世界網,2014/11/13http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=18240
[8] “東京大學研發初次世代電池鈉離子電池原型,材料世界網,2015/05/07https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=21561
[9] Dexter Johnson “Graphene Composite Offers Critical Fix for Sodium-ion Batteries”IEEE Spectrum2014/01/31http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/graphene-composite-offers-critical-fix-for-sodiumion-batteries
[10] “Sodium-Ion Batteries Offer Surprising Stability Over Cycles”BROOKHAVEN2015/06/29https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11740

 

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