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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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創新源自於 想改變世界的堅持

撰文/劉麗惠 圖片來源/工研院

工研院及美國史丹佛大學教授戴宏杰研究團隊以屹立不搖的堅持,創新研究出「可高速充放電鋁離子電池」,將來可望應用於飛機、汽車、輪船、電網、家用電器等諸多領域,為產業帶來新的發展契機之外,也將為人們的生活帶來不一樣的面貌。


 


工研院及美國史丹佛大學教授戴宏杰研究團隊共同發表的「可高速充放電鋁離子電池」技術,基於環保、高安全性、可快速充放電等諸多特色優勢,甫於2015年4月在權威期刊《Nature》上發表後,就受到國內外產業界廣泛矚目,來自世界各國的資訊科技大廠、材料商或是電動車業者等,紛紛找上工研院或史丹佛大學,詢問該技術發展,希望技轉或進行相關合作。


「可高速充放電鋁離子電池」技術共同發起人美國史丹佛大學化學系教授戴宏杰與工研院綠能與環境研究所林孟昌博士,談起研究團隊歷經多種困難找出「可高速充放電鋁離子電池」技術創新的過程,都認為改變世界的科學研究除了來自於堅持,還要整合多方資源與能量,才有機會做出最大的突破。

以堅持抓住機遇 找出技術創新之路

戴宏杰強調,鋁離子電池可解決現今主流電池在充/放電、安全性、價格、效能等方面的問題,對電池儲能產業帶來很大的突破。
戴宏杰強調,鋁離子電池可解決現今主流電池在充/放電、安全性、價格、效能等方面的問題,對電池儲能產業帶來很大的突破。

不管走到哪裡,戴宏杰都習慣尋找可以進行創新研究的對象。2012年受邀到臺灣演講時,戴宏杰也與臺灣許多學校及研究機構接洽,當時得知工研院的林孟昌有意研究鋁離子電池,因此毫不考慮的推薦林孟昌到史丹佛大學擔任訪問學者,協助林孟昌利用史丹佛大學的研究資源以及其擅長的碳材料專業,進行鋁離子電池技術的創新研究。希望工研院與史丹佛大學雙方資源,可以達到1+1>2的合作綜效,在電池領域帶來突破性的發展,進而對世界帶來更美好的未來。

就這樣,林孟昌很幸運地踏上美國史丹佛大學的研究之旅,一開始他以「五氧化二釩」(V2O5)為關鍵材料,研究發展鋁離子電池的可能性,投入3個月尚未見到成果,一度感到相當灰心。當時戴宏杰果斷地建議:「真的不行就換個方向」,並且引薦實驗室其他的訪問學者加入共同討論,激發出更多的研究火花,促使林孟昌重拾研究動能。林孟昌與研究團隊持續嘗試各種材料,最後偶然發現,石墨與鋁做為關鍵材料,可以成功發展出鋁離子電池。
林孟昌指出,找到關鍵材料雖令人興奮,但是還要進行數據最佳化、找出鋁離子電池運行的道理,過程中,研究團隊同樣受到不小挫折。當時,戴宏杰教授提出:何不嘗試打開石墨微結構,可能會有很好的充電性能。研究團隊於是往這個方向前進,並且獲得很大的突破。

「創新,來自不斷堅持累積的能量;成功則是牢牢抓住一次偶然的機會。」林孟昌回憶,一開始研究團隊嘗試打開石墨微結構時,一直得不到好的效果,某一天在實驗中故意把電能調到最高,竟然因此意外獲得很好的放電效能。原來,以鋁與石墨作為材料,並把微結構打開,要在高電能之下才能獲得最佳效能。

持續攜手合作 朝商業化發展邁進

以鋁與石墨作為材料,並把微結構打開,要在高電能之下才能獲得最佳效能。
以鋁與石墨作為材料,並把微結構打開,要在高電能之下才能獲得最佳效能。

戴宏杰強調,相較於鉛酸電池的材料,石墨對環境較沒有負面影響;其次,鋁與石墨是全球含量最豐富的材料,價格最便宜;再者,石墨能量密度比鉛酸高、導電性強,做為電池材料可以達到快速充放電的效果。另外,鋁與石墨有一定的柔性,使得鋁離子電池循環壽命長,目前最高測試可達上萬次,遠高於鋰電池的1,000次循環;最重要的是,鋁離子電池的電解液使用離子液體,不會像鋰電子碰到空氣會有燃燒的危險,即使被破壞、穿透也不會爆炸,安全性非常高。

戴宏杰進一步指出,基於上述各種優點,鋁離子電池可解決現今主流電池在充/放電、安全性、價格、效能等方面的問題,可說對電池儲能產業帶來很大的突破。未來,鋁離子電池可以應用的範圍也非常廣泛,包括飛機、汽車、船隻、電網、家用電器等領域都有可行,是以許多領域的業者在看到鋁離子電池技術發表之後,陸續找上史丹佛進行了解。

為持續推進鋁離子電池技術的發展,加速其進入產業化階段,工研院與史丹佛大學目前仍緊密互動、合作,史丹佛將持續以強大的研究資源,專注於基礎技術的研究,把碳材料應用於電池的性能做到最佳;工研院則將緊密與產業的整合,在量化生產上面進行突破。

戴宏杰說,科學研究需要很多的機遇,要將許多環節扣合才有機會成就最大的創新,這次與工研院的合作經驗非常愉快,也很高興能夠成功整合雙方在材料技術的資源與優勢,創造卓越的綜效,未來,電池領域之外,不排除與工研院就其他科學領域進行共同研究。

林孟昌則說,很慶幸工研院能夠提供這個進修的機會,讓自己前往史丹佛大學這個科學研究的大殿堂,與研究團隊一起發表鋁離子電池技術,為人生添上一筆精彩的經驗,更重要的是,希望未來可以持續努力將鋁離子電池技術推向量產。

總而言之,電池技術瓶頸是許多終端裝置無法實現全方面應用的原因,工研院與史丹佛大學在鋁離子電池的創新研究,雖然距離商業化階段還有一段路要走,但至今在電池效能、安全性各方面的研究成果,已經帶來一道新的曙光。未來在雙方持續努力之下,可望有更大的突破,為世界帶來真實的改變。

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