突破性「鈉空氣燃料電池」將改寫電動飛機與火車的未來

現有電池技術正面臨能量密度瓶頸，這成為電動飛機、火車與船舶發展的最大障礙。麻省理工學院(MIT)研究團隊近期發表一項革命性解決方案——採用液態金屬鈉作為燃料的新型燃料電池，其單位重量儲能能力是現行鋰電池的三倍以上。

這項刊登在《焦耳》(Joule)期刊的研究，由材料科學教授張益明(Yet-Ming Chiang)帶領團隊開發。有別於傳統電池需長時間充電，這種燃料電池可像加油般快速補充液態鈉燃料。系統另一側只需普通空氣作為氧氣來源，中間透過陶瓷固態電解質層傳導鈉離子，搭配多孔空氣電極促成氧化還原反應發電。

「這聽起來像是瘋狂的點子，但革命性創新往往如此。」擁有京瓷陶瓷講座教授頭銜的張益明表示。特別在航空領域，該技術有望突破電動飛機的關鍵門檻——現行鋰電池僅達300瓦時/公斤，而實際航空應用需要1,000瓦時/公斤。團隊原型機已實現單體1,700瓦時/公斤的驚人表現，系統整合後預計可達標。

研究團隊設計兩種實驗原型：垂直式的H型玻璃管結構與水平式託盤設計。後者將液態鈉儲存在電解質託盤中，底部附著多孔空氣電極。測試發現，控制適當濕度的空氣流能產生液態副產物，大幅提升反應效率。「關鍵在於形成液態而非固態反應物，這讓廢棄物更容易隨氣流排出。」主要研究者Karen Sugano解釋。

這項技術更具環保優勢：排放的氧化鈉會自然與大氣中二氧化碳反應，最終形成碳酸氫鈉（小蘇打）。「整個過程完全自發，我們只需讓飛機飛行，就能順帶減碳。」張益明指出，若副產物進入海洋還能中和海水酸化，且相較昂貴的氫氧化碳捕集技術，這等於「免費的環保效益」。

在安全性方面，雖然鈉金屬具高活性，但燃料電池設計讓反應物（空氣）始終保持稀薄狀態，相較傳統電池兩側高濃度反應物緊鄰的設計更安全。團隊已成立新創公司Propel Aero推進商用化，首階段將開發磚塊大小的燃料單元，目標在一年內推出可供農業無人機使用的實證產品。

鈉原料來自隨處可見的食鹽，開採難度遠低於鋰礦。歷史上美國曾年產20萬噸鈉金屬用於含鉛汽油新增劑，證明大規模生產可行性。未來系統將採用可更換的液態鈉燃料匣，熔點僅98°C的特性使補充燃料更簡便。

這項研究融合燃料電池設計、高溫電池技術與新興鈉空氣電池概念，團隊成員Saahir Ganti-Agrawal形容是「跨領域知識的完美混搭」，才創造出效能突破。隨著區域航線佔國內航班八成，這項技術有望率先改寫短程航空的能源版圖。

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