鋁電池大突破,再生能源儲能免煩惱-工研院楊昌中專訪

作者/文詠萱,本刊主編。


素有「創新研發界的奧斯卡獎」美譽的全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)2016年得獎者已於去年11月公布,臺灣科專研發計畫表現亮眼,共有6項技術獲獎,總獲獎數與麻省理工學院、陶氏化學公司並駕齊驅,超越美國航太總署(NASA)。

工業技術研究院綠能與環境研究所副組長楊昌中博士團隊以研發出突破性鋁電池,成為本屆得獎技術。其研究團隊與美國史丹福大學合作,打破過去鋁電池放電電壓低、壽命極短的缺點,生產出全球第一顆可商品化的鋁電池。


科技報導(簡稱科):當初投入此領域的動機是什麼?

楊昌中(簡稱楊):我們這個研究團隊30年來,一直是研發燃料電池,在過去15年研發的是「低溫質子交換膜燃料電池(高分子行的燃料電池)」。研究團隊關注到近期各界熱議的再生能源有著儲能不穩定的特性,因此投入再生能源「儲能」,讓再生能源能具備進入電網的能力。

而儲能的方式有相當多種,只要能把電以不同方式儲存起來,就是一種儲能技術。在當時我們覺得電池會是一個很好的儲能方式,因為電池可以由小做大,透過電池並聯、串聯達到預期的電池用量規模。

科:如何決定電池研發種類呢?

楊:市面上的電池都具有侷限性,以手機鋰電池中的鋰為例,鋰在地球上的存量並不是很多,也僅有少數國家在開採,如智利、玻利維亞等南美國家;也因為鋰電池能量密度較高,在使用安全上也有疑慮。常見的鉛酸電池的全球回收制度目前並不完善,具有汙染性的缺點。另外,鉛的礦倉主要集中在印尼、馬來西亞等地,鉛酸電池材料產地也有限制,取得並不普及。

因此我們決定使用地球中存量豐富、價錢較便宜的金屬材料,在當時我們選擇三個元素作為新電池研發方向,分別是鋁、鋅、鈉,並在研究許多文獻後決定使用鋁作為電池材料。

科:鋁電池在開始研發時是否有遇上什麼樣的難題?

楊:其實鋁電池全球有許多人在做,我們並非第一個想到使用鋁作為電池的團隊,但多無法商業化。我們須先找到電池材料,首先最重要的是要為鋁找到適合的電解液,透過研究文獻與電化學反應團隊了解,水溶液電解液是不適合的,這是一件相當可惜的事,因為水溶液電解液比傳統有機溶劑電解液來的安全,也可以確保價錢是便宜的。

使用有機溶劑當作電解液具有安全性的問題,因此最後研究團隊不希望使用。我們最後在文獻中找到,有一種特殊鹽類也許可以當作電解液。問題來了,鹽類在室溫下多是固體,傳統上將溫度提高即可使用,但團隊並不想開發危險且不實用的高溫電池,因此我們的選擇範圍變的非常小。

科:當時是如何決定要使用哪種鹽類作為電解液呢?

楊:我們找到了非常多種不同鹽類,在2012~2013年間嘗試了許多不同的組合。除了要尋找在常溫會維持液態的材料外,最重要的是鋁在其中做電化學沉積的可逆性是否良好,會不會產生支晶是最主要的考慮點。

支晶是電池反應中最不希望產生的現象。在充電時,鋁會在做沉積反應,在沉積的過程中會長出結晶,有的時候,鋁並不會這麼乖的長回去同一個平面,它會長出來如樹枝的結晶,這個長出來的樹枝結晶有可能會觸碰到對面的正極,電池就會因此短路、溫度提高,並會產生危險性。

最後發現鋁片可以在EMIC系列電解液中可以很完美的沉積與溶解,不會產生支晶。且在室溫下會維持液態,黏度是水的20多倍,優點是其本質還是鹽類,不像一般有機溶劑揮發性強。

科:石墨在過去常用於負極,而本次得獎電池是使用石墨作為正極,研究團隊是如何想到的?

楊:在鋁電池中,正極是很難找到的,從過去30年的文獻中發現,找正極常常是做電池最困難的部分。舉例來說,製作鋰電池時,正極材料常使用氧化物,因此我們在做鋁電池的過程中,也試圖以氧化物作為電池的正極。當時我們認為五氧化二釩是有潛力成為電池的正極,但在實驗後發現其在鋁電池中還是沒有產生電池反應。

研究團隊開始思考,氧化物最大的缺點就是它不導電,但若是不導電就不會有電化學反應,我們認為氧化物的尺寸大小可能有問題,因此想說將它們做成奈米尺寸,並且與導電材料(奈米碳管、石墨烯)參混在一起,但在一開始也是失敗的,「沒關係,反正我們常常失敗。」那時候我們想說我們應該是沒有找到奈米化分散的訣竅。

科:後來是如何解決的呢?

楊:這我只能說是巧合!在2012年年底時,史丹福大學化學系戴宏杰老師想與工研院合作,因此來接觸我們研究團隊,但在那時候戴老師僅想與工研院合作,並未設定要研發什麼項目。在當時已經確定的是負極(鋁)與電解液是可行的,還沒有找到適合的正極材料。於是,我們在戴老師至工研院演講時,向他介紹了這項鋁電池研究項目。戴老師是一位碳材料專家,同時也在我們介紹鋁電池後,答應參加此項目。在當時,沒有人知道到底什麼樣的材料會是好的正極材料。

2013年,工研院派林孟昌博士前往史丹福大學,進行合作研究,總共待了14個月的時間。在前4個月鋁電池正極研發都是失敗的,戴老師請林博士「乾脆放棄這個題目吧,我們換個題目。」在當時林博士並沒有放棄,他們當時研究的邏輯跟臺灣相同,認為氧化物材料是正確的研發方向,應該要解決的是導電性的問題,因此他們加了很多導電的添加劑,如奈米碳管、石墨等。在他實驗室中有相當多石墨的樣本,在偶然的情況下發動某一些樣本測試時產生電池反應,因此就開始思考,到底加了什麼會有電池反應?

後來發現問題應該是出在石墨,到了第5個月後,電池工作次數已經可以超過500次(文獻中鋁電池都小於100次),因此確定石墨是一個可行的正極材料,一切都是巧合。

科:在國際合作中是否有觀察到雙方的不同?

楊:工研院中有小鴻鵠計畫,這個計畫是希望工研院年輕研究人員到國外進行研究交流。我們團隊已經有6人透過小鴻鵠計畫出國深造,合作的對象多是史丹福大學或是布魯克林大學。
綜合團隊中6位參與國際合作計畫者的意見,基本上,在美國做研究比較能夠放眼全球,接觸到的人也是來自世界各地,全球頂尖的人都集中在美國研讀博士班、博士後研究員等。在美國研究的腳步非常快、做研究的方式非常紮實,他們非常清楚自己要做什麼、要解決什麼事情,不會貿然投入研究、瞎子摸象。確認研究方向後,從文獻中、學理中找到可行的方向,並開始嘗試,嘗試的速度相當快速。一般在史丹佛大學或是布魯克林大學,嘗試期都差不多是一個月,若這個月研究方式結果不好,下個月就會換另一個方向。

在這一個月中,一個是想辦法解決問題(蒐集資料、嘗試),再來是去想,若是失敗之後,下一步要怎麼走、好多步之後的計劃。在那邊做研究的步調非常快,這跟臺灣不太相同。臺灣是以年為單位,在那邊則是以月為單位。

美國史丹福大學或是布魯克林大學研究人員是以論文能夠登上Nature、Science等頂級國際期刊為目標,因此他們做實驗既要做的紮實也要做的快速,才能從同行中脫穎而出;工研院則是以與廠商合作為目標,不能只看新,還要斟酌研究的可行性跟產業落實能力,這是需要比較長的時間去醞釀。目標、定位不同,導致做事態度不同,我覺得也是有其原因。

科:請談談鋁電池未來發展方向

楊:此電池材料產量豐富(鋁、石墨),量產時它較其他電池便宜,另外優點還包含其壽命長、充電放電效率高、沒有有機溶劑在其中。它唯一缺點就是能量密度不夠高。這個反應了石墨的問題,正極石墨與負極產生的錯合物縫隙尺度並不符合,這就像要將一個西瓜塞到柳丁的縫隙裡一般困難。因此使用電化學的方式放進去後,石墨的層間並不是每一層都會被利用的,這就是它能量密度不夠的原因。

鋁電池目前能量密度相當於現在的鉛酸電池,達到40~60瓦時每公斤(鋰電池大約是100~250瓦時每公斤),意思是鋁電池會比鋰電池體積更大、更笨重。但除了壽命長、成本低等優點外,鋁電池會比鉛酸電池更具深度充、放電的功能,利用率上也比鉛酸電池好很多,所以我們會認為在未來可以取代鉛酸電池。全球電池產值有超過一半是鉛酸電池,取代鉛酸電池我認為已經是不錯的成就了!

科:當鋁電池使用壽命結束時的處理方式?

楊:我們還沒有完整的配套措施處理鋁電池廢棄物,但我的想法認為,鋁是可以回收再利用的,而石墨不需要回收,因為石墨本來就存在於自然界。

但是離子電解液必須要找到好的回收方式,因為在整個電池中,離子電解液的價格是最貴的,若能將此鹽類電解液回收、純化並再利用,對於降低成本有很大的幫助。這只是初步的想法,目前尚未研究確定鋁電池電解液是否可以回到新的電解液狀態。

科:目前最近全球關注的電池趨勢是什麼?

楊:研發用於儲存再生能源的電池是一項趨勢,全球在找的是一種成本低、安全性高的電池。現在除了鋁電池之外,還有一種電池──液流電池(Flow battery)──也相當多單位投入研究,特別是在美國。液流電池可以用很多種不同材料去做,其能使用的材料都相當便宜,且目前仍有發現許多新的材料是用在這項電池上。

這項電池重要的關鍵是電池的設計,鋁電池是一項封閉性系統,而液流電池是將能量存在兩個桶子中,利用流動的方式打到中間做電化學反應,當需要大量能量時,不須增加中間體積大小,只要將桶子變大即可,桶子的大小可以是兩個杯子,也可以是兩棟樓。

科:楊博士有親臨R&D 100美國頒獎典禮,請您分享您的心得或是觀察到的現象。

楊:我認為R&D 100對於人類科技發展演進是一項重要的獎項,歷屆的得獎作品中也有許多偉大的發明。本屆得獎技術有許多是用以解決人類民生問題,就像鋁電池是真正在解決電池的問題,但當觀察R&D 100許多入圍獎項時,會發現有許多技術是透過跨領域的結合,並在其中發揮自己的巧思。

然而,R&D 100得獎作品多是在解決某些需要解決的問題,這些問題會改變整個產業,而非巧思。以我的觀察,若是只是僅有創意,而沒有真正解決產業問題,R&D 100很難會給予獎項。

科:請您給讀者或是想從事科學研究的人一些建議。

楊:我覺得一個優秀的科研人員,應該要想清楚自己要解決的問題是什麼,且這個問題對於民生、社會有重大的影響,這時候再花心思投入研究。一旦解決了這個問題對於自己、社會、產業而言,價值會相當高。簡單來說就是設定一個目標,並想辦法解決它,讓自己價值提高。

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