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未來的電池特輯:(二) 鋁-空氣電池

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科技產業資訊室 (iKnow) - 陳姿穎 發表於 2015年9月23日
2014年6月2日,Alcoa公司官網發表了一個全世界矚目的新聞 [1],在加拿大蒙特羅(Montreal)的Circuit Gilles-Villeneuve,加拿大Alcoa公司和以色列Phinergy車輛公司首次發表一台搭載具革命性進展的新式鋁-空氣電池的零排放(Zero-emissions)電動測試車(圖一 [11])。Alcoa和Phinergy合作的消息是在2014年2月釋出 [2],內容即為上述鋁-空氣電池,此電池可使測試車在不需要其他燃料的情況下行使1600公里(1000哩),在Alcoa可找到與鋁-空氣電池相關的新聞。在介紹此在未來可能扮演重要角色的鋁-空氣電池之前,先介紹空氣電池與此類電池所遭遇到的瓶頸,接著再來討論鋁-空氣電池的價值。

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金屬空氣電池的說明與種類
金屬空氣電池是化學電池的一種,以金屬為負極,空氣中的氧或是純氧為正極活性物質,電解液多為強鹼,正極結構設計為多孔的活性碳,以利吸附氧氣成為氧化劑。金屬空氣電池有以下數個種類 [3]:1. 鋅-空氣電池:正極為氧,負極為鋅,電解液為高濃度氫氧化鈉溶液,鋅-空氣電池充電很慢 [4],所以氧化後的負極氧化鋅板是直接更換新的鋅版以維持不快的反應速率;2.鋰-空氣電池:正極為氧,負極為鋰,電解液在正極用鹼性水溶性電解液、負極用含有鋰鹽的有機電解液,有很高的能量密度,能被電動車使用,可是反應時產生固體氧化鋰(Li2O),氧化鋰會堆積在正極,阻斷電解液與空氣接觸而停止放電,是其致命缺點而無法獲得廣泛應用;3. 鎂-空氣電池;正極為氧,負極為鎂,電解液為注入海水或是淡水即可,主要研發者為日本,2013年日本東北大學發表構想後 [5],在2014年9月已有初步成果 [6],定位為緊急使用的一次性電池(圖二),是極新的研究方向;4. 鋁-空氣電池:正極為氧,負極為鋁,電解液為高濃度氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液,其氧化還原反應如圖三所示 [7],鋁板利用從空氣吸收的氧氣及電解液中的水產生化學作用,將鋁變成氫氧化鋁而釋放能量,工作原理示意圖為四,是效能進展最大的空氣電池,其外觀為圖五,並在以下部分做說明。

鋁-空氣電池的優缺點
鋁-空氣電池能量密度的理論值約8100Wh/kg,實際值為350-400Wh/kg,卻已是鋰電池的2.3倍 [1],因此續航力可高達1600km,且電池總質量輕,可提高車輛的裝載能量,跟特斯拉(Tesla)公司重達五公斤,里程數小於500公里的Model S電池相比,Alcoa和Phinergy研發的鋁-空氣電池性能非常好 [8]。然而缺點在於充放電速率比較緩慢,需要採用熱管理系統來防止電池工作時的過熱,在放電過程,陽極會腐蝕,產生氫,需要重新補充鋁,若無法更換鋁電極就只能當一次電池使用,而Phinergy表示已採用新技術,電解質可溶解電極表面的氧化層使反應持續進行,減少更換鋁板的次數 [8]。且反應過程不易控制,並產生易燃氣爆氣體也是其缺點。

鋁-空氣電池的未來發展
因此,鋁-空氣電池很適合當成備用電源,鋰電池搭配質量輕且能量密度高的鋁-空氣電池在車輛上做使用,可彌補鋰電池能量密度不高、續航力不足的問題,而鋁-空氣電池功率不足、穩定度不夠的情況也可以被鋰電池補足,在二者相輔相成的情況下,未來的發展有可能在現有鋰電池的基礎上,增加鋁-空氣電池,形成「鋰電池+鋁-空氣電池」的混和車載電源零排放的電動車。(1126字;圖2)

圖一、Alcoa公司和Phinergy公司合作的鋁-空氣電池零排放電動測試車[11]
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圖二、日本生產的一次性鎂-空氣電池-[6]
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圖三、鋁-空氣電池的氧化還原反應 [7]
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圖四、鋁-空氣電池工作室意圖 [10]
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圖五、鋁-空氣電池 [8]
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參考資料:

[1] “Alcoa and Phinergy Debut Electric Car with Aluminum-Air Battery at Circuit Gilles-Villeneuve“ALCOA2014/04/06https://www.alcoa.com/canada/en/news/releases/2014_phinergy.asp

[2] “Alcoa and Tech Company Phinergy to Develop, Commercialize Batteries that Run On Air and Aluminum”ALCOA2014/02/05http://www.alcoa.com/car_truck/en/news/releases/2014_02_05_Alcoa_and_Phinergy_to_Develop_and_Commercialize_Batteries.asp

[3] “何為空氣電池?Energy Trend2015/06/23http://www.energytrend.com.tw/knowledge/20150623-11533.html

[4] “空氣電池",互動百科,http://www.baike.com/wiki/%E7%A9%BA%E6%B0%94%E7%94%B5%E6%B1%A0

[5] “日本東北大教授提出借助鎂燃料電池利用太陽能的新構想,日經能源環境網,2013/07/05http://big5.nikkeibp.com.cn/news/eco/4781.html

[6] 張嵐霆,日本鎂空氣電池問世,緊急災難加水就可為手機充電30iThome2014/09/01http://www.ithome.com.tw/news/90589

[7] “Aluminium–air battery”Wikipediahttps://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium%E2%80%93air_battery

[8] 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

[9] 陳若焱,鋁空氣電池代替鋰電池? 別逗了!,老虎財金,2014/08/01http://www.laohucaijing.com/news/13755.html

[10] “Aluminum Air Battery | Experiment Reaction Equations Uses”Electric4Youhttp://www.electrical4u.com/aluminum-air-battery/

[11] Nancy Owano"Alcoa and Phinergy show electric car with aluminum-air battery"TechXplore2014/06/09http://techxplore.com/news/2014-06-alcoa-phinergy-electric-car-aluminum-air.html


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