清大聯手利物浦大學 揭鈣空氣電池充電機制

金屬空氣電池以其能量密度高、環境友善及低成本的優勢，成為最具潛力的電動車供電來源之一。清華大學與英國利物浦大學合作研究，發現一種新型的電荷儲存機制，突破了過去鈣空氣電池無法重複充放電的限制。因鈣在地表的蘊藏量極高，空氣中的氧也可無限取得，這項研究成果將為開創永續電池科技邁出一大步。

這項研究已登上最新一期的國際頂尖期刊《化學科學》（Chemical Science）。第一作者為清大與利物浦雙聯博士生盧奕廷，由利物浦大學化學系教授哈威克（Laurence Hardwick）與清華大學化工系講座教授胡啟章共同指導，另一位利物浦博後研究員尼爾（Alex Neale）也參與研究。

胡啟章指出，目前普遍使用可重複充放電的鋰離子電池因載電量有限，且高電壓鋰離子電池有易爆炸的危險，許多科學家因此把研究的焦點轉向了鋅、鋰、鈉、鉀及難度更高的鈣、鎂、鋁等金屬空氣電池，作為未來電動車及風電、太陽能發電的儲能工具。其中的鈣空氣電池具有體積小、能量密度高的優點，可提供電能是傳統鋰離子電池的5倍，但因它只能一次性放電，無法再次充電，研究陷入瓶頸。

盧奕廷說明，金屬空氣電池是以活性較高的固態金屬為負極，與空氣接觸的多孔碳材為正極的電化學電池。當負極的金屬被氧化，正極的氧氣被還原，即產生電流。

盧奕廷發現，對單一電極進行充放電循環時，前二、三次的確無法充放任何電能；但當他持續循環數十次以後，卻發現系統竟可逐漸充放部分電能。

盧奕廷在清華大學重建英國的實驗設備，完成鈣空氣電池實驗。（清華大學提供）

因過去從來沒有科學家成功運用鈣離子電解液讓電池充放電，一開始盧奕廷還不確定是實驗錯誤、還是真的發現了全新的可能。他立即向兩位指導教授報告，接下來的一年多，研究團隊不斷討論、重複驗證，找出這個令人興奮的新現象背後機制，在於鈣離子會在正極找到了新路徑，於電極表面形成特殊的氧化鈣介面，把氧氣的還原產物（超氧化物）限制在其中，使電池內部可重複氧化、還原，就能連續充放電。

胡啟章認為，這項新型態的電荷儲存機制不僅可應用在鈣空氣電池，也將為其他的金屬空氣電池研發指出新的路徑。他特別感謝我國科技部及英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）對這項研究的支持，也期待能早日看到鈣空氣電池的實際應用與量產。

盧奕廷是板橋高中第一位在大學學測取得75級分滿級分的學生，當年以第一志願進入清大化工系，並以第一名的成績畢業，直攻清大－利物浦雙聯博士。今年才25歲的他，即將在7月取得清大化工博士及利物浦化學博士雙學位。

清華大學與利物浦大學自2012年簽署合作備忘錄、開啟雙聯博士合作計畫，今年已邁入第十年。全球長嚴大任指出，雙方共同指導的博士生達39位，包括13位畢業生，研究領域涵蓋動機、化工、資工、物理、經濟等，成果斐然。

盧奕廷（左四）加入利物浦大學教授哈威克（右五）研究團隊，與博後研究員尼爾（右三）共同發表研究成果。（清華大學提供）