全釩液流電池(VRFB)是一種電化學能源儲存設備，透過在電解液中的VO₂⁺/VO²⁺ 與 V²⁺/V³⁺氧化還原物質來儲存和釋放電能。藉由改變儲存槽的體積大小，它可以儲存kWh到MWh級別的電能。為了改善其能量效率，本團隊聚焦在碳材的表面改質方式，如酸處理、熱活化、水活化、電漿處理、使用氮摻雜劑以及用金屬氧化物或複合材料的改質。我們研究發現，將簡單、便宜、高氧空缺濃度和具導電性的W₁₈O₄₉奈米線作為觸媒來增強極板的電化學活性，當使用在全釩液流電池中，更顯示出高效能和長時間的穩定性。

　　近年來，由於化石燃料逐漸耗盡與環境保護政策的訂定，風力與太陽能發電等可再生能源的需求快速提升。然而，為改善可再生能源不穩定供電的特性，能源儲存系統的使用十分重要。目前已有多種不同的儲能技術被開發出來，其中，全釩液流電池(VRFB)因為擁有高彈性的功率與電容量設計、較長壽命、低成本等特性，廣受到各界的關注。其正極端反應離子為VO₂⁺/VO²⁺，負極端則為V²⁺/V³⁺，因為兩極皆利用釩離子的價態轉換來發電，故減輕了離子滲透所帶來的損失影響；此外，由於這些離子的氧化還原反應皆發生在極板上，故極板在電池中扮演相當重要的腳色。一般而言，全釩液流電池常用碳材做為極板材料，例如碳紙、碳氈、石墨氈等，然而，未經處理的碳材具有疏水、動力學可逆性差等特性，為解決這些問題，電化學活化、酸處理、熱處理等處理方式被相繼開發。本研究團隊曾利用竹子型奈米碳管附著於官能化石墨氈表面來改善電極的可逆性與活性^[1]；而為了準確控制石墨氈電極表面的官能基數量，本團隊也成功開發出高溫水蒸氣活化法^[2]與高溫二氧化碳活化法^[3]等兩種有效的處理方式；此外，為進一步加強電池的效能，研發各種金屬氧化物改質石墨氈亦受本團隊所重視。其中，鈮摻雜氧化鎢奈米線表現了良好的電化學催化活性與可逆性^[4]，而藉由使用適量且分佈均勻的氧化鉭奈米顆粒改質石墨氈，全釩液流電池展現了高度的穩定性與效能提升^[5]。由上述例子可知，適量且分佈均勻的金屬氧化物奈米顆粒能提供石墨氈表面更高的親水性與更多的反應活性點，進而顯著地提升電池的效率。

　　根據我們先前的研究經驗，合適的金屬氧化物作為全釩液流電池的催化劑必需有幾個特性：在酸性溶液中具高穩定性、土壤中常見之元素、無毒和易於製備。我們藉由一步驟的水熱法於石墨氈表面上合成出簡單、低價且導電的W₁₈O₄₉奈米線作為催化劑，並於450°C的氬氣中退火（以W₁₈O₄₉-GF表示）或是氫/氬混合氣中退火（以H-W₁₈O₄₉-GF表示）2小時。因為W₁₈O₄₉具有不尋常的缺陷結構和奈米尺寸的單斜晶相，因此它有利於沿[010]方向的強異向性生長行為，進而形成一維奈米棒或奈米線，而其表面大量的氧空缺不僅提供了催化釩離子氧化還原反應的活性點，亦提高了電導率。在氫/氬混合氣中退火之後，W₁₈O₄₉的結晶度降低是歸因於晶格氧還原而產生的晶格缺陷。此外，低價態W⁴⁺和W⁵⁺的增加可能與帶正電的氧空缺產生以及伴隨電荷補償電子的形成有關。因此，H-W₁₈O₄₉-GF的顏色與W₁₈O₄₉-GF的顏色有所不同，前者為深藍色，而後者是藍色，此顏色差異源自於H-W₁₈O₄₉-GF的氧缺陷程度不同。我們將W₁₈O₄₉-GF和H-W₁₈O₄₉NWs-GF在全釩液流電池中進行充放電測試，於0.7 V至1.6 V之的電位下以80 mA cm-2的電流密度進行評估，其中H-W₁₈O₄₉NWs- GF不僅顯示出最高的能量效率，且具有最長的放電時間。H-W₁₈O₄₉-GF的高電化學性能歸因於以下特性。首先，大量氧空缺的存在充當釩離子氧化還原反應的活性點；其次，由於特殊的一維結構，H-W₁₈O₄₉-GF具備了電荷傳輸通道，從而降低了電阻；第三，亞化學計量的H-W₁₈O₄₉-GF使電解質易於在複合電極內擴散。因此，使用H-W₁₈O₄₉-GF作為複合電極的全釩液流電池顯示出顯著提高的效率和出色的穩定性。

[1] Y.-C. Chang, Y.-C. Shih, J.-Y. Chen, G.-Y. Lin, N.-Y. Hsu, Y.-S. Chou, C.-H. Wang, RSC Advances, 6 (2016) 102068-102075. 10.1039/C6RA22035E

[2] D.M. Kabtamu, J.-Y. Chen, Y.-C. Chang, C.-H. Wang, J. Power Sources, 341 (2017) 270-279. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.12.004

[3] Y.-C. Chang, J.-Y. Chen, D.M. Kabtamu, G.-Y. Lin, N.-Y. Hsu, Y.-S. Chou, H.-J. Wei, C.-H. Wang, J. Power Sources, 364 (2017) 1-8. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.103

[4] D.M. Kabtamu, J.-Y. Chen, Y.-C. Chang, C.-H. Wang, J. Mater. Chem. A, 4 (2016) 11472-11480. 10.1039/C6TA03936G

[5] A.W. Bayeh, D.M. Kabtamu, Y.-C. Chang, G.-C. Chen, H.-Y. Chen, G.-Y. Lin, T.-R. Liu, T.H. Wondimu, K.-C. Wang, C.-H. Wang, ACS Sustain. Chem. Eng., 6 (2018) 3019-3028. 10.1021/acssuschemeng.7b02752