綠能儲電的大省方案？一分鐘充放電鋁離子電池

當前手機、筆電、行動電源、相機甚至特斯拉電動車等，普遍使用的鋰離子電池，生活中已經少不它。鋰是一種活潑的元素，手機突然起火燃燒，造成生命財產損失的事件，時有所聞，來自電池中的鋰元素設計控制不好。
史丹福大學終身教授戴宏杰與任職工研院綠能所的材料博士林孟昌攜手合作，組成台、美研究團隊，開發出比鋰離子電池更安全、耐用、超高速充放電的鋁離子電池。這個由全華人研究團隊所發明的鋁離子電池，可說是電池科技的一大突破！未來量產後，可提供快速充電的優勢，對於沒耐心的現代人們來說，極富吸引力！

文／陳淑芬
部分圖片提供／工業技術研究院

鋰的能量密度高，是當前可重複充放電電池的首選材料，但價格也高。地殼蘊藏大量豐富的鋁元素，量多又容易取得，且具備高電容量特性， 與鋰、鈉、鉀等電池材料比較，儲電成本相對較低廉。

一直以來， 科學家們嘗試將鋁金屬運用於可重複充放電的電池上，30 年來未見突破，計畫主持人、鋁離子電池共同發明人之一戴宏杰表示：「其他實驗室開發的鋁電池，只充放電100次即無法再使用。」

工研院與美國史丹福大學的團隊， 共同找出提升鋁離子電池效能的重大突破──關鍵材料、充放電達10,000次依然不減損儲電量、運行機制最佳化等。由工研院材料博士林孟昌擔任第一作者的論文〈超快速充放電鋁離子電池〉（An ultrafast rechargeable aluminum-ion battery），登上百年歷史的權威英國《Nature》雜誌（2015年4月第520期）。

充放電10,000次　效能不減損

常用的鋰離子電池充飽電耗費數小時，約可循環充電1,000次，電池效能還會遞減，使用年限約3年。汽車、摩托車用的鉛酸蓄電池，常態使用下則僅能循環約300次。

電池的化學能轉換成電能時， 必定會發熱、耗損，能量密度雖是鋰離子電池的5分之1，鋁離子電池充放電達10,000次亦不減損其效能，預估使用年限可達10年； 而鉛酸蓄電池，最多放出3成電力後就必須再充滿電，無論有無使用，約3～5年即需回收。

「運行機制最佳化」讓鋁離子電池可以1分鐘充放電，而且使用中即使遭到撓曲彎折，甚至鑽孔破壞，本身也不會升溫、燃燒或爆炸，可以繼續放電。

鋁離子電池的離子液體電解液， 主要由氯鋁酸根陰離子（AlxCly-） 與1-乙基-3- 甲基咪唑陽離子（EMI+）構成，室溫下為液態，「基本上就是鹽類的混合物，」戴宏杰說，與主要材料鋁、石墨一樣不可燃，可工作的環境溫度最高可達攝氏80度，「安全而穩定。」

兩次意外發現　誕生強勢新電池

電池的主要構成為正極材料、負極材料、電解液、隔離膜。在一次實驗中，意外發現使用石墨作為陰極材料的鋁離子電池可產生高放電電壓( 約2V)，進而開發出多孔泡沫石墨為陰極材料（陽極為鋁），達到可快速充放電能力。

研究團隊認為，過去近30年來鋁離子電池研究的失敗主因就在於「選錯陰極材料與未釐清工作原理」。團隊突破關鍵就是找到了特定石墨材料，並且瞭解到，石墨內部由數十萬層石墨烯所構成的層狀結構之間，「氯鋁酸根陰離子可進行嵌入、嵌出反應」，成功說明多孔泡沫石墨結構的「主要反應機制」。

此外， 還要讓離子在電解液體中移動很快！首先所採用的電解液有好的導電性，鋁金屬在離子電解液中可以快速的沈積（ 充電） 與溶解（放電），也就是讓離子（氯鋁酸根陰離子）可以快速移動；再加上電極本身必須可以承受得住離子快速進
出，也就是需要具有特定結構的石墨材料。

（左圖）鋁離子電池單電池放電中遭到外力破壞，如圖中被鑽孔，也不會升溫與爆炸燃燒，十分安全。
（右圖）充電、放電的過程中，氯鋁酸根會快速嵌入／嵌出（脫嵌）石墨烯之間。

「電極與電解液的潤濕性好不好，決定能否快速充、放電。」因此，要設法讓離子電解液與石墨材料有充分的接觸，讓電解液的溼潤變快！他們將石墨處理成多孔泡沫結構，讓電解液裡的陰離子可以迅速進、出石墨，跟電極產生反應以達到快速充、放電。

從材料面來解釋，石墨的多孔結構可以提升其與離子液體電解液的接觸面積，讓氯鋁酸根陰離子進行嵌入、嵌出反應的路徑增加，陰離子就可以很快速的在石墨層狀結構出入，「等於讓實心牆變多孔隙的蜂窩，陰離子就不必繞路，自然提升了反應速度。」林孟昌解釋。這就是快速充放電的技術所在。

另外一次的意外，就是在實驗陷入泥淖時，失意的實驗人員刻意加大電池測試時的電流，卻發現他們的鋁離子電池其實是「一輛跑車」。

過去，鋁電池的電壓高點為0.6V至1.8V之間， 所以他們一直給予實驗中的鋁離子電池較低電壓；加大電壓後發現它不但可以承受，而且效能還更好！「過去我們一直給這輛跑車一條很爛的路去跑。」林孟昌比喻道。

電流承受度高　綠能儲電池新選擇

目前， 實驗室中製造出來的鋁離子單電池為片狀， 厚度約莫一張名片大小，電量為10～20毫安時（mAh）。雖然電壓僅2V，不過，串聯2片即可充手機，一般手機額定電壓（正常工作時的電壓）為3.7V。

來自實驗室的1分鐘快速充放電的數據，將電池規格放大後，若是充電裝置與電路能承受的話，根據基礎原理，即使電池電量持續提高， 也是能1分鐘被充飽。但因為電池牽涉到的專業範圍較多，涵蓋材料、電化學與機械設計等，需要許多專業者共同合作，才能創造出實際可用的電池。

鋁離子電池快充快放（汽車瞬間加速動力）、快充慢放（手機）、慢充快放皆可行，可承受很高功率，耐受程度比其它電池好，所以非常適合應用為太陽能與風力等不穩定發電裝置之儲電電池。綠能取決天候，有時要大量快充，瞬間電流高，有時又是慢慢地充電，鋁離子電池皆可以承受，具有寬廣的操作範圍，是其他電池辦不到的優勢。

鋰電池花了10年的時間，才成功獲得全球普遍使用。若鋁離子電池能夠更加優化，成功商業化、走出實驗室，初期預計可以強勢取代鉛酸蓄電池（汽車與摩托車的發動電池、電動腳踏車），5年內可成為綠能大型儲存電能設備的最佳方案，未來更瞄準對動力、電容量要求極高的電動汽車。

雖然還在持續研發，不過，「我認為這是正處於初期階段的新電池，」戴宏杰說，未來的發展極其看好，「令人非常興奮！」