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金屬空氣電池─高安全、低成本的再生能源儲能技術

2015/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 773

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金屬空氣電池-高安全、低成本的再生能源儲能技術

文字、圖片/經濟部能源局
關鍵字/儲能、金屬空氣電池

金屬空氣電池不但結合了傳統乾電池與燃料電池的特性,還同時具備能源成本相對便宜與高能量密度的優勢,在國內團隊的積極研發下,已逐步放大量產的基礎。

再生能源(風力、太陽光電)常受自然條件影響,具間歇與不可預測的特性,因為這類發電設施所產生的不穩定電力會造成電網負擔,進而影響電力供給,需透過儲能系統調節後再併入電網,而搭配儲能系統以削峰填谷的方式運作,不僅可提高發電效率,更可提高其供電之穩定性、可靠性。

此外,因應分散式再生能源導入,為達成能源最佳化運用,亦需投入整合市電、太陽光電、負載、儲能設備及電能管理控制平臺之微電網控制技術(如圖1),以驗證不同儲電元件與進行再生能源之配比分析、太陽光電輸出平滑化與穩定太陽光電發電功率輸出。

全球發展趨勢
電網級儲能技術之市場運用關鍵因素為儲能成本,現今既有商業化儲能技術中,僅有抽蓄水力及地窖壓縮空氣技術足以達到美國能源部所設定之電網級儲能系統的儲能成本目標(0.02美金/度電/次),但上述兩種技術需有特殊地形限制且考慮環保議題,因此各國積極發展其他儲能技術,如二次電池與燃料電池等化學式儲能技術,及超導、飛輪等物理式儲能技術。化學電池儲能系統具有較高能量密度,占地面積小,初期建置成本低、建置快速等優勢,其中金屬空氣電池被視為下一世代的新綠色環保電池。金屬空氣電池與市售鎳鎘或鉛酸
電池相較之下,金屬空氣電池可提供高10倍左右之電力且無環境汙染隱憂,而相較於鋰離子電池金屬空氣電池具有價格低廉、高安全性等優勢;目前國際上僅有少數公司宣稱可生產大型二次金屬空氣電池之產品,但產品尚處於示範驗證測試階段,如美國Eos Energy Storage所研發鋅空氣電池,預定售價約每度電160美元,遠低於市面所有大型電池,其系統已與多家電力供應商合作,示範系統與紐約市電網結合測試。

金屬空氣電池如何運作?
金屬空氣電池是以空氣中的氧氣作為電池的反應物,相較於一般電池,金屬空氣電池結合了傳統乾電池與燃料電池的特性;以活性較高之固態金屬,如鋅、鋁、鎂、鈉、鋰金屬等作為陽極,以鹼性或中性鹽類水溶液作為電解液,陰極為空氣擴散電極,為空氣或氧氣進入之位置,藉由氧化還原反應使陰陽極間具有一電位差而產生電能,結構如圖2。空氣中的氧氣進入電池中,於陰極上參與電化學反應,在此過程中氧氣會被消耗,故須不斷地從外部空氣中取得氧氣,而氧氣可由環境中的空氣取得,相較於其他種類電池,金屬空氣電池之能源成本相對便宜,也由於氧氣由空氣中(含量20.9%)補給,並不需要儲存
於電池中,故電池裝置同時具有高能量密度優勢。

金屬空氣電池的反應物質為空氣中的氧氣,故陰極上需要有反應面積大的擔體吸附氧氣, 再由擔體上的觸媒與電解液形成一個三相區(固、液、氣)來進行反應,電池運作時,陰極的表面進行兩種不同的反應:在放電過程中陰極表面進行還原反應,此時須將氧氣還原成氫氧根離子(OH-),稱為氧氣還原反應(oxygen reduction reaction, ORR);反之,充電過程中則是需將氫氧根離子氧化成氧氣,亦稱為氧氣生成反應(oxygen evolution reaction, OER)。在二次電池的設計上,可分為三極式與二極式,三極式是將OER與ORR觸媒分開成兩電極以獨立運作,而二極式便是將OER與ORR觸媒同時置於同一電極搭配陽極進行充
放電反應,二極式製作較簡便外,同時能節省空間以達到輕量化之目的。

我國發展鋅金屬空氣電池現況
我國對於鋅金屬空氣電池之陰、陽極材料及其陰極觸媒OER、ORR催化效能已投入相當之研發能量。著重於開發適切之複合式空氣觸媒,以降低電極反應之過電位,可提高整體電池充放電之電壓效率,並深入考慮整體空氣電極設計,包含氣體擴散層(gas diffusion layer, GDL)、導電碳材、黏著劑及分散劑之最佳化選用。目前以自製高效率複合式錳氧化物觸媒將電壓效率提升至國際水準的71%@20 mA/cm2,並將反應觸媒直接成長於集電層上,增加電池耐用,使電池循環壽命超過1,000次循環,今年將完成百瓦級空氣單電池(如圖3)作為逐步放大量產的基礎,評估此類鋅金屬空氣電池建置成本小於每度電100美金,未來希望可達到每次每度電0.02美金的長期儲能成本目標。
 


關鍵字:儲能,金屬空氣電池

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