液態鈉-加濕空氣燃料電池：實現高能量密度與碳捕捉的雙重創新

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科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻發表於 2025年6月5日

圖、液態鈉-加濕空氣燃料電池：實現高能量密度與碳捕捉的雙重創新

傳統的鹼金屬-空氣電池(Alkali metal-air batteries)雖具有極高的理論能量密度，但由於固體放電解產物的形成，導致充電性能差和功率低等問題，限制了實際應用潛力。為了克服這些技術瓶頸，麻省理工學院(MIT)研究團隊開發出一種創新的液態鈉-加濕空氣燃料電池(Liquid sodium-humidified air fuel cell)，透過固體電解質膜和控制空氣加濕度，成功解決了這些技術難題，為難以脫碳的運輸領域提供了新的解決方案。

燃料電池採用液態鈉金屬（熔點98°C），配合Na-β″氧化鋁固體電解質(Na-β″ alumina solid-state electrolyte, BASE)作為陽極，以及加濕空氣作為陰極反應物，在電池運行中，放電產物是氫氧化鈉(NaOH)，在大多數地區的相對濕度和溫度條件下，這些固態NaOH能夠吸濕並轉化為液態鈉金屬溶液，此外，研究發現，在 100°C至150°C 的溫度範圍內，以及 0.1至0.5 bar的水分壓下，電池能實現液態鈉金屬的穩定供應，並持續移除放電產物。初始時，放電產物最初主要為 NaOH．H2O 結晶體，但在暴露於空氣中3至5分鐘後，會迅速潮解成液體，該液體能夠有效捕捉空氣中的CO2，並在約50分鐘內形成碳酸鈉(Na2CO3)，實驗結果顯示，霧化的NaOH溶液能更迅速地捕捉大氣中的CO2，並在12秒內完全轉化，根據實際應用計算，每千瓦時電力輸出可捕捉0.9公斤CO2，並且當Na2CO3進入海洋後，能有效幫助降低水的酸度，抵消溫室氣體的影響，這項技術提供了一種免費的環境效益，為氣候變遷減緩提供了清潔電力生產與碳捕集封存的雙重效益。

除此之外，液態鈉-加濕空氣燃料電池在性能方面取得了顯著突破，例如，在能量密度方面：在80 mA/cm²電流密度下達到1,200 Wh/kg（1,295 Wh/L）能量密度，在40 mA/cm²電流密度下更高達1,540 Wh/kg（1,760 Wh/L）能量密度，遠超現有鋰離子電池技術；如在功率密度方面：在濕潤空氣中達到0.40 W/cm²的峰值功率，在濕潤氧氣中更達0.50 W/cm²，比之前報導的鋰-空氣或鈉-空氣電池高1-2個數量級；如在運行能力方面：可連續消耗高達2.3公分厚的鈉金屬（2,500 mAh/cm²），累計容量達2,797 mAh/cm²，相當於典型鋰離子電池電極的230倍厚度。研究結果顯示，這款鈉空氣電池在能量密度、功率密度和運行能力上均顯示出遠超現有鋰離子電池技術的潛力，尤其是在高電流密度下表現出色。

經過技術經濟分析，該研究團隊發現，這項技術具有強大的商業競爭力，鈉金屬成本估計為每公斤0.8至1美元，若充分利用氯氣副產品價值，成本可降至每公斤-0.12至0.08美元；相比之下，綠氫成本為每公斤6美元；綠氨為每公斤2.17美元，在閉循環系統中收集NaOH放電產物並用於工業用途時，該燃料電池的電力成本在所有可持續選項中是最低的，甚至接近傳統航空燃油的成本效益。

此外，液態鈉-加濕空氣燃料電池技術特別適用於難以脫碳的運輸領域，包括航空、海運、鐵路和長途卡車運輸。這款燃料電池可滿足1,000 Wh/kg的比能量和0.1的功率/能量比，支持連續運行。歷史上，1970年代美國鈉金屬的年產量曾超過20萬噸，用於生產四乙基鉛(Tetraethyl lead)，如果以現有技術應用相同產量，每年可提供超過400 GWh的電力，這證明了大規模鈉金屬生產和應用的可行性。

儘管目前仍處於小規模技術原型階段，研究團隊已成立了Propel Aero公司，並在MIT的新創企業計畫「The Engine」中擴展這項技術至實際規模並商業化，這項技術將對未來能源產業，特別是交通運輸領域，產生深遠的影響。(1262字；圖1)

參考資料：
New fuel cell could enable electric aviation. MIT News. 2025/05/27.
Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power. Joule. 2025/05/27.

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