研究背景

金屬-空氣電池(metal-air battery)結合傳統乾電池與燃料電池的特性，以空氣中的氧氣作為電池的反應物。相較於其他種類電池，由於氧氣可由空氣中補充，並不需要儲存於電池中，故金屬-空氣電池同時具有高能量密度、環境友善與能源成本低等優勢，使其被視為未來極具發展潛力之儲能技術。

電池之結構通常包含活性較高之固態金屬，如鋅、鋁、鎂、鈉、鋰金屬等作為陽極，以鹼性或中性鹽類水溶液作為電解液。而陰極則為空氣極，藉由陰陽極間之電位差而產生電能。其中，鋅-空氣電池(zinc-air battery)為目前唯一商業化之金屬-空氣電池，且其實際的能量密度(1086 Wh kg-1)是鋰離子電池的兩倍以上，使得許多學者紛紛投入鋅-空氣電池之研究。以下為鋅-空氣電池的反應機制：

可充式鋅-空氣電池

鋅-空氣電池的空氣極反應物為氧氣，但礙於其動力學緩慢之因素，故需開發出高效能之觸媒材料加速反應進行。當電池在充放電時，空氣極之表面進行兩種不同的反應。在放電過程中，空氣極表面將氧氣還原成氫氧根離子(OH-)，稱為氧氣還原反應(oxygen reduction reaction, ORR)，反之，在充電過程中氫氧根離子則氧化成氧氣，稱為氧氣生成反應(oxygen evolution reaction, OER)。

氧氣還原反應

氧氣還原反應因本身為多個電子轉移而較複雜，因此空氣極之觸媒材料的催化活性，將直接影響反應之路徑：

(1) 直接進行4個電子轉移，使O2直接還原成OH-。

O₂ + 2 H₂O + 4 e^- → 4 OH^- (E⁰ = 0.40 V)

(2) 先經由2個電子轉移之路徑產生HO2-，接著HO2-再還原成OH-。

O₂ + H₂O + 2 e^- → HO₂^- + OH^- (E⁰ = - 0.07 V)

HO₂^- + H₂O + 2 e^- → 4 OH^- (E⁰ = 0.87 V)

(3) 先經由2個電子轉移之路徑產生HO2-，接著HO2-再自催化還原產生OH-。

O₂ + H₂O + 2 e^- → HO₂^- + OH^- (E⁰ = - 0.07 V)

2 HO₂^- → 2 OH^- + O₂

氧氣生成反應

(1) OH-首先吸附在活性位點上，然後通過兩個 M-Oads 中間體的結合得到O2。

M + OH⁻ → M − OH_ads + e⁻

M − OH_ads + OH⁻ → M−O_ads + H₂O + e⁻

M − O_ads + M − O_ads → 2 M + O₂

(2) 通過 M-OOHads 中間體，將 M − OHads 轉化為 O2

M − OH_ads + 2 OH⁻ → M − OOH_ads + H₂O + e⁻

M − OOH_ads + OH⁻ → M + O₂ + H₂O + e⁻

實驗室未來規劃

本實驗室對於可充式鋅-空氣電池的研究領域，未來規劃將開發高效且穩定之雙功能空氣極觸媒材料(bifunctional oxygen electrocatalyst)。現階段實驗室嘗試之觸媒材料有單原子觸媒(single-atom catalyst, SAC)、高熵合金(high-entropy alloy, HEA)。