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後鋰電池時代的突破點(下)
會呼吸的鋰空氣電池

【CTIMES/SmartAuto 丁于珊 報導】   2012年09月30日 星期日

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台灣大學材料所副教授趙基揚 BigPic:450x523
台灣大學材料所副教授趙基揚 BigPic:450x523

美日作法大不同

而根據國情不同,各國對鋰空氣電池的充換也有不同的研究。以美國為例,由於美國土地較大,換電站或充電站距離遠,不易隨時充換電,因此IBM研究主題專注於如何做出二次電池。

當電池為二次電池時,重複充放電的效能及相關電池壽命與安全問題變成重要的考量。目前使用多孔膜材(mesoporous membrane)吸附電解液做為分隔正負極的隔離膜(separator)的鋰二次電池在安全上最大的問題是充放電時,” dendrite”會成長並穿越多孔隔離膜間的空隙,當正負極因dendrite成長而接觸了,將會使電池短路、迅速放熱,這正是時常聽到鋰二次電池爆炸的原因。而在需要大電流充放電的操作環境下的電動車電池,這樣的問題會更顯嚴重。

為了解決這樣的問題,IBM不用多孔隔離膜的形式,而是改採純有機液態電解質的形式以提高離子傳導度,另一方面則是在鋰金屬表面加上一層具有良好鋰離子傳導特性的氧化物來穩定電極與電解液之間的接觸介面,以抑制dendrite的成長。然而,液態電池卻又有漏液的安全問題,很難兩全齊美。

此外,這樣的方式所面臨的問題是,鋰空氣電池在放電的過程中,固體反應生成物 - 氧化鋰(Li2O)及過氧化鋰(Li2O2)並不溶解於有機電解液中,而會在正極堆積,導致空氣流量下降,這時電解液與空氣的接觸逐漸被阻斷,發電效能愈來愈低。因此,如何在放電後期維持一樣的發電效能是電極設計所需克服的難題。

和美國走不同路線的日本則是選擇換電池的方式。就像一般燃料電池燃料用完,更換氫氣或甲醇,日本的設計是鋰空氣電池沒電了,就將整顆電池換掉,不需要花費兩三個小時等待充電時間;而沒電的電池則由專門的工廠回收再生。

趙基揚表示,這樣的方式和汽油車開車習慣較為相近,且日本使用的系統為有機液態電解質與水溶液電解質的混合系統,在陽極與鋰金屬相接觸的電解質為有機溶液相,而在陰極則使用電解質水溶液,此兩種電解質中間以一層可傳導鋰離子的陶瓷薄膜(LISICON)做阻隔。在陰極由於鋰氧化物會被溶解在水溶液裡,因此也較不會有電極孔洞被塞住,降低效能的問題。但鋰氧化物溶於水溶液後會產生鹼性物質氫氧化鋰(LiOH),而LISICON薄膜在鹼性環境下不穩定,對長期操作的穩定性是一大挑戰。

水分子易穿透 隔離膜擋不住

儘管美、日做法不同,但是同樣存在一個最大的瓶頸 - 水。空氣中除了氧氣之外,還包含許多雜質,其中最難排除的,就是水分子。鋰金屬穩定度較差,容易和水產生反應氧化,導致鋰金屬表面產生高電阻的鋰氧化物,而大幅降低電池的放電效率。

趙基揚指出,為了阻隔空氣中的水分進入電池中,一般的做法是在陰極的外層加上一層疏水的多孔膜材以使氧通過而不使水分子通過。然而此種方法的效果有限,原因在於阻氣膜是利用孔隙對不同大小分子的選擇性來做阻絕,但水分子體積卻比氧分子小,阻氣膜難以將水分子完全隔絕在外。

目前最好的辦法是將液態電解質改為固態電解質,其緻密的膜材結構一方面可以降低水分子穿透性,也能夠抑制dendrite成長,也不會有漏液問題產生,這些較為穩定的特性能夠大幅提升安全性。

趙基揚正帶領其研究團隊在進行固態高分子電解質的研究,但固態電解質的離子傳導度相較於液態差很多,因此其研究的挑戰在於如何提升其鋰離子的傳導特性。他指出,雖沒辦法讓固態電解質傳導性超越液態,但是至少要接近。

當然,有更多相關計畫在全球各地如火如荼地在進行著,只是各自面臨不同的挑戰,要克服這些挑戰,一般預估鋰空氣電池至少還需要花上十年才能夠商品化。

關鍵字: 鋰空氣電池  IBM  台大材料所 
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