1.6 鋅空氣電池研究發展概述
鋅空氣電池是一種非常環保的綠色乾淨能源，它結合了鹼性電池中的鋅陽極 技術和燃料電池中的空氣極技術組合而成，主要優點是有很高的能量密度大約 200 Wh/kg 左右，低電流密度放電時穩定持久。雖然功率密度可達到 100~120 W/kg，但當放電電流增加時其輸出電壓會快速隨之降低，因而限制了其在高功 率方面的應用。鋅空氣電池的構造如圖 1.5 所示，所使用的電解液為 KOH 或 NaOH 等鹼性溶液，負極(陽極)為金屬鋅電極等同於燃料電池的燃料電極，正極 ( 陰 極) 為空 氣極 可 使用 空氣 或純 氧做 為 氧化 劑。 空氣 陰 極由 集電 網 (current collector)/氣體擴散層(gas-diffusion layer)/觸媒層(catalyst layer)所組成。集電網一 般採用發泡鎳網或銅網，氣體擴散層由 PTFE 和 Acetylene black 所製成，具疏水 性以防止電解質水溶液滲出，觸媒層則由催化劑，活性炭，PTFE，SiO2 等粉體 所製成。
氧氣經氣體擴散層進入觸媒層後在貴金屬（如 Pt、Ag 等）或過渡金屬（如 Ni 等）表面進行還原反應，陽、陰極以及總反應方程式如下所列〆
陽極〆 Zn + 4OH- Zn(OH)4
+ 2e- Zn(OH)4
ZnO + 2OH- + H2O
Zn + 2OH- ZnO +H2O + 2e- EO= -1.25 V 陰極〆 O2 + 2 H2O + 4e- 4OH- EO= 0.40 V 總反應〆 Zn + 1/2O2 ZnO EO= 1.65 V
鋅-空氣電池根據電解質的性質來分，可分成微酸性電池及鹼性電池兩種，
以空氣供應的型式來分，可分成內氧式電池及外氧式電池兩種。最常見的分類是 依陽極的充電型式來區分為一次電池及二次電池兩種。鈕扣式鋅-空氣電池是最 早商業化的一次式鋅空氣電池，被廣泛使用於助聽器商品。其中的鋅極佔絕大部 分的空間，主要為增加其比能量之密度，陰極大致可分為空氣分佈層、擴散層、
催化層、金屬網和隔離膜。並在陰極外殼上打孔，讓氣體能順利自由進出。氣體 分佈層主要的目的為讓空氣能均勻分佈進入催化層並進行電的催化反應，擴散層 主要目的爲防止電解液外漏。而金屬網則用來當作集電網。
二次式鋅-空氣電池的又可分為兩極式與三極式設計兩種，兩極式的設計與 一般二次電池並不相同，電池中包含了兩個空氣極和鋅極。當放電時，陽極鋅溶 於電解液，而空氣則藉由壓縮機使其進入到陰極中，反應完後將含有氧化鋅之電 解液和未反應的空氣藉由泵浦加壓循環，首先以空氣分離器將空氣去除，氧化鋅 則存放在儲藏槽中，剩餘電解液則循環使用。充電時，將原本存放在儲存槽之氧 化鋅及電解液藉由泵浦循環至電池之內部，施予相反電壓，金屬鋅則會重新附著 於陽極上，進而再使用。三極式設計與兩極式的主要不同處為充電時利用惰性金
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屬替代空氣電極當第三電極，主要目的是防止充電時對空氣電極所產生之結構破 壞，延長電池其使用壽命。鋅空氣電池的發展不僅與鹼性燃料電池面臨的難題，
諸如 CO2 對電解液毒化。更增添了鋅電極的膨脹及針狀結構刺穿的問題尚待克 服。不過，基於同燃料電池與金屬-空氣電池的研究已超過數十年，許多的技術 經驗都可直接應用於鋅-空氣電池的發展上。因此，鋅空氣電池的發展可謂隨波 逐流。
近年來鋅空電池的研究重點空氣電極部份著重於新觸媒的開發，使用高效率 的觸媒將氧分子快速還原為 OH－離子，以及空氣電極組織結構的改善促使氧氣 能快速擴散到催化劑顆粒上，以增進其氧氣還原速率。鋅電極部份則是著重於如 何降低或減少鋅陽極的變形(shape change)、避免針狀鋅(dendrite)的形成。關於觸 媒的研究方面，許多的文獻陸續報導過渡金屬氧化物具有不錯的觸媒效果。例如 鈣鈦礦的典型化合物 BaTiO3系列[3-6]。可經由他種過渡元素的摻雜、代換產生 極為多數的衍生化合物。未來催化效能改善空間很大。這類的氧化物觸媒價格相 對低廉，對未來高效能鋅燃料電池極有應用潛力。另外奈米化也提供催化劑寬廣 的改善空間。包括奈米載體以及奈米催化粉體的應用。由於單位重量催化劑表面 積的提升，以及奈米載體的良好分散，使得催化劑含量得以減低而仍能保持足夠 之催化效能。在二次鋅空氣電池的循環壽命，主要受限於鋅陽極的嚴重極化和電 極變形。許多研究者提出不同方法改善鋅電極的電性增加它的循環壽命，例如以 ZnO 及 Ca(OH)2 在一定比例下於水的媒介中使用機械球磨法或由化學沉澱法製 備得到的 calcium zincate 活性物質來取代 ZnO，可以有效的降低放電後產物在 KOH 溶液中的溶解度，被認為能有效的改善鋅電極的變形問題[30, 31, 34, 35]。
或 者 在 鹼 性 電 解 質 中 添 加 有 機 抑 制 劑 如 (Polyethylene Glycol; PEG) ， (Polyethylene Blycol Bis-Carboxymethyl Ether; PEG-BCME) ， (Ethoxylated Polyflouro Alcohol; FPEA)， (Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate; SDBS) [38-41]
或無機酸 phosphoric acid (磷酸)、succinic acid (琥珀酸)、tartaric acid (酒石酸)、
citric acid (檸檬酸)等[47]均可有效改善鋅二次電極之針狀鋅形成，及氫過電壓提 昇降低鋅電極的自放電率。另外，在電極中添加諸如纖維素(cellulose)及氧化鉛 (PbO) [32,45]或者透過 ZnO 奈米化[50, 51]技術也使得鋅電極的性能得以改善。
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表 1.1 目前世界上主要的超電容器生產製造的廠商及其產品[8]
公司名稱 商品名稱 電容(F) 電壓(V) 電極材料 電解質
Asahi Glass EDLC 500-2000 3,14,42 Carbon aqueous
AVX Bestcap 0.022-0.56 3.5-12 Carbon aqueous
Cap-XX Supercapacitor 0.09-2.8 2.25-4.5 Carbon non-aqueous
Cooper Powerstor 0.47-50 2.3-5 Aerogel non-aqueous
ELNA Dynacap 0.333-100 2.5-6.3 Carbon non-aqueous
Epcos Ultracapacitor 5-500 2.3,2.5 Carbon non-aqueous
Evans Capttery 0.01-1.5 5.5,11 Carbon aqueous
Maxwell Boostcap 1.8-2600 2.5 Carbon non-aqueous
NEC Supercapacitor 0.01-6.5 3.5-12 Carbon aqueous
Nippon chemi-con DLCAP 300-3000 2.3,2.5 Carbon non-aqueous
Ness NessCap 3-5000 2.3,2.7 Carbon organic
Panasonic Gold capacitor 0.1-2500 2.3-5.5 Carbon organic
ECOND Supercapacitor 0.13-160 14-300 Carbon aqueous
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-Potential distribution at uncharged
500
-Potential distribution at charged
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圖 1.4 鹼性燃料電池示意圖
圖 1.5 鋅空氣電池示意圖 GDL (gas diffusion layer)
Catalyst layer Zinc electrode
Air
Electrolyte
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