江飛宇Science》飛機也能電動化？臺裔科學家發明「鈉空氣電池」顛覆想像

MIT團隊的電池原型，稱爲「H型電池」，左邊管子裝的是鈉金屬，擔任負極，中間黑色的是陶瓷固體電解質，右邊是空氣，擔任正極。(圖/MIT)

在環保意識高漲，碳排已成國際共識的現在，動力系統電氣化，成爲主要的改革方向。雖然以鋰離子電池爲基礎的電動車已經不罕見，但是它不適合用在飛機、火車和船舶上。如今，著名的麻州理工學院(MIT)的研究人員，發明了一種新配方的電池，有望幫助這些交通系統實現電氣化。

這是一種燃料化電池，但是又與現行主流的氫燃料電池不同，它其實是一種空氣電池，由於負極是液態金屬鈉，就與燃料頗類似，才如此形容。鈉就是它最大的優勢，因爲它很容易取得，電解食鹽(氯化鈉)就可以，簡直取之不盡用之不竭。

研究人員利用原型裝置進行實驗，證明這種鈉空氣電池單位重量的能量密度，是現行鋰離子電池的三倍以上，證明了它的發展潛力。

蔣業明博士(最右者)與他的研究團隊，再來大鬍子是蘇尼爾·梅爾 ，女生是菅野可憐、高個戴眼鏡者是薩希爾·甘蒂-阿格拉瓦爾。(圖/MIT)

研究專案主持人是MIT材料科學與工程系教授蔣業明博士(Yet-Ming Chiang)，他出生於臺灣，1964年隨父母移民美國，1980年獲得麻省理工學院學士學位，2009年獲得美國國家工程院貢獻獎。除了蔣博士以，論文作者還有博士生菅野可憐 (英文：Karen Sugano)，與蘇尼爾·梅爾 (Sunil Mair) 和薩希爾·甘蒂-阿格拉瓦爾 (Saahir Ganti-Agrawal)。

研究生菅野可憐拿着一小瓶的鈉金屬，它在室溫下呈固體狀，由於活性很大，平時必須保存在礦物油裡。它的熔點98度，溫度略高就會形成液態狀。(圖/MIT)

它的原理這樣的：電池由兩個作用室組成，一邊是液態金屬鈉(可以視做「燃料」)，另一邊充滿溼潤的空氣，做爲正極。兩者之間由固體陶瓷電解質材料連接。

簡單來說，鈉離子從一個作用室穿過電解質，進入另一室。鈉離子與空氣接觸後，會與氣體中的氧氣產生化學反應，產生電能。在作用的過程確實會產生副產品氧化鈉(如同廢料)，原本是固體晶體，但是在過程中它會吸收水氣成爲液態狀，如此便於直接排出。研究人員表示，氧化鈉基本上不算污染物，它會環境中會自動吸附大氣中多餘的二氧化碳，反而有一定程度的環保效果。

在吸附二氧化碳後，氧化鈉就會形成碳酸氫鈉，也就是俗稱的小蘇打。蔣博士團隊表示，小蘇打無毒無害，如果它落入海洋，還有降低海水的酸度的正向效果，也能逆轉溫室氣體帶來的破壞。也就是說，這種鈉空氣電池的廢料，不但不會造成環境負擔，反而會改善環境，豈不美哉？

但如何將它應用在飛機呢? 研究團隊認爲，可以將多個鈉空氣燃料電池接在一起，使其滿足區域客運航班的續航力。它需要充電嗎? 研究團隊的想法是，直接更換裝滿液態鈉金屬的新電池盒，就像換燃料一樣，即可快速爲電池「補充能量」。這一做法與現在的電動機車的換電池類似，但是情況更簡單，因爲現行的電池在耗電完後，電池就剩呆重，而鈉空氣燃料電池的電力，是隨着鈉的化學作用而愈來愈少，所以最後電池盒輕很多的是空盒子，也就不會因呆重而影響性能。

雖然我們近期可能不會看到客機使用這項技術，因爲它還有很多需要改進之處。但研究團希望在一年內，一個「磚塊大小、功率1000瓦時」的鈉空氣燃料電池，能夠先在無人機上示範使用。

至於鈉金屬的安全問題，鈉很容易自燃，遇水更會引發爆炸，但是現在的鋰離電池也有燃燒與爆炸的風險，但人們仍然也是接受了，所以只要提升包裝的安全性，應該也可以被接受。

蔣博士說：「我認爲，人們會覺得用鈉當成電池燃料，這是一個完全瘋狂的想法。甚至我覺得，如果沒人感到瘋狂，我會有點失望。因爲如果人們一開始不覺得某件事完全瘋狂，那麼它很可能就不會那麼具有革命性。」