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化學系劉如熹特聘教授所領導之團隊發展“兼具高容量能源儲存及碳中和應用之全固態鈉二氧化碳電池”獲科技部2021年未來科技獎。本技術產品全固態鈉二氧化碳電池乃全世界首創，如圖1所示。

近年來，各國環保意識提升，紛紛投入節能減碳之研究。可利用溫室氣體二氧化碳產生電能之二氧化碳電池成為綠色能源之研究重點。然隨鋰離子電池之廣泛應用，碳酸鋰價格逐年上漲，故廉價豐富之鈉成為替代鋰製造電池之重要元素。故此鈉二氧化碳電池不僅可利用二氧化碳溫室氣體，亦可使用廉價之鈉金屬，鈉二氧化碳電池成為廣泛研究之熱點。

鈉二氧化碳電池使用溫室氣體二氧化碳為反應性氣體，廉價之鈉金屬為負極，利用二氧化碳氣體與鈉金屬負極之反應，其反應如下：

3CO₂ + 4Na⁺ + 4e⁻ ⇌ 2Na₂CO₃ + C                    

此電池可於室溫實現循環充放電。放電時二氧化碳氣體於正極被還原為碳並產生碳酸鈉，鈉離子由負極向正極遷移，電子由外電路自負極傳導至正極。充電過程中，正極沉積之碳與碳酸鈉被分解為二氧化碳，並釋放鈉離子，鈉離子由正極遷移至負極，而電子由外電路自正極傳導至負極。因其利用溫室氣體二氧化碳，故可應用於混合動力汽車與火星上之能源開發。近期，世界各國皆進行火星探測計畫，其為鈉二氧化碳電池之太空應用提供遠景。然火星之大氣與地球不同，含95.32%之二氧化碳氣體與氮氣(2.7%)、氬氣(1.6%)。鈉二氧化碳電池可利用火星大氣層中之二氧化碳氣體產生電能，驅動有人或無人設備進行火星探測。未來之火星移民計畫，亦須二氧化碳電池提供之電力能源，如圖2所示。

基於有機液態電解質之鈉二氧化碳電池雖性能優異，而鈉金屬與有機電解液之副反應與鈉枝晶可導致電池之失效。此外，二氧化碳電池為一開放電池體系，有機電解液之揮發亦可導致電池之失效。更為嚴重者，鈉枝晶短路致使大量熱能釋放，若此時電解液揮發為有機氣體，則爆炸風險提升。故開發基於固態電解質之固態鈉二氧化碳電池迫在眉睫。

本技術乃建立具高容量能源儲存及碳中和應用之全固態鈉二氧化碳電池，其可實現室溫充放電，其放電容量可高達28,830 mA h g^-1。於電流密度為100 mA g⁻¹，截止電容量為500 mAh g⁻¹之條件下，可穩定循環105次。 本研究成果除已申請專利外，並發表全文：Na–CO₂ battery with NASICON-structured solid-state electrolyte 於2021年3月16日發表於《奈米能源》（Nano Energy）：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105972

圖1: 所發展之全固態鈉二氧化碳電池可點亮紅色發光二極體。

圖2：使用溫室氣體之二氧化碳電池可提供碳中和與未來移民火星之電力能源。