新型鋰電池技術－鋰－二氧化碳電池

化工與材料工程系 盧信冲副教授

二氧化碳(CO₂) 在地球大氣層的累積引起的氣候變化和溫室效應，正在嚴重影響人類文明與社會的持續發展。新的能源技術尤其是可再生能源，需要把包含風能及太陽能等間歇性能源，用來部分替代化石燃料以實現低碳經濟。因此，開發可將再生能源產生的能量轉換為可存儲的模式變得非常重要。而高效率的 CO₂ 固化及利用以減緩甚至消除 CO₂ 所造成氣候劇烈變遷的策略，特別是可產生高附加價值商品並可有效執行的策略，正被廣泛且積極地探討。

近年來在開發不排放溫室氣體且可持續如太陽能及風能等清潔的再生能源上，已經取得了巨大的進展。然而這些再生能源的來源是依賴天候且間歇性的，因而需要電化學能源技術，來更平順地進行儲存、轉換及利用。這些電化學能源技術包括水電解製氫、燃料電池、超級電容器和電池，被認為是地球可持續追求低碳經濟的重要能源戰略技術。在電化學儲能技術上，鋰電池無疑是迄今為止最成功的技術，其中鋰離子電池(lithium ion battery, LIB) 憑藉可靠的插入型陰極(insertion-type cathode) 可以儲存足夠的能量，可以在小型電子設備甚至大型車輛中長期使用。如今商用 LIB 的重量能量密度幾乎接近其理論極限，但即使在其理論能量密度的狀態下，傳統插入型正極的鋰離子電池也無法滿足智能電網等大規模儲能的需求。因此，尋找能夠提供更高電容量的替代陰極材料，對於將具成本競爭力的 LIB 技術，轉移到下一階段的能源上進行應用就至關重要。

在眾多新的鋰電池技術中，以二氧化碳作為氣相陰極進行電化學儲能/轉換的鋰-二氧化碳(Li-CO₂) 電池(如下圖)，因其 1,876 Wh/kg 的高理論比能量密度和 ~ 2.8 V 的高放電電位而迅速引起了科學界的廣泛關注。與其他金屬 -CO₂ 電池，如 Na-CO₂ 和 Zn-CO₂ 電池相比，Li-CO₂ 電池不僅在提供最高工作電壓和能量密度方面更有吸引力，而且在航空工業和太空探索中也非常有有潛力，因為輕質材料具有龐大優勢。更重要的是當今適合的鋰金屬電池的化學、材料和技術，可以應用於 Li-CO₂ 電池上。在 2013 年 Archer 團隊以新型離子液體電解質，組裝了導電碳陰極的純初級 Li-CO₂ 電池。隨後，藉由陰極和電解液配方的設計，促進絕緣 Li₂CO₃ 分解，實現了純 CO₂ 氣氛中的可充電 Li-CO₂ 電池。在過去幾年中，隨著越來越多的團體的參與，可充電 Li-CO₂ 電池取得了相當大的進展。得益於早期的開創性研究，目前的 Li-CO₂ 電池可以高能量密度運行，並且已經透過陰極和電解質的改良獲得了數百次循環壽命。

顯然，以 Li-CO₂ 電池不僅將在日常生活中也將會在工業生產中，在固化 CO₂ 和儲能方面發揮出關鍵的作用。儘管 Li-CO₂ 電池的發展仍處於起步階段，但系統地研究與了解包括高過電位、較差的可逆性和較差的電流速率在內等關鍵議題，將是促進其大規模應用的必要步驟。為了實現高度可逆的 Li-CO₂ 電池，研究人員必須克服反應途徑的鑑別、緩慢的氧化還原反應動力學、高效觸媒的開發以及電解質和界面改質等挑戰。毫無疑問，要將高能量密度 Li-CO₂ 電池能夠大量實用，還有很長的路要走，需要化學工程、材料科學、電化學和奈米技術的多學科和跨領域的研究。但相信通過不斷的努力，具高效 CO₂ 固化/轉化和高儲能能力的實用 Li-CO₂ 電池的時代終將來臨。

Li-CO2 電池具高效能量儲存與 CO2 固化/轉化的概念示意圖