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突破性電池:為潔淨電氣化時代提供動力 Breakthrough Batteries: Powering the Era of Clean Electrification
Charlie Bloch, James Newcomb, Samhita Shiledar, and Madeline Tyson
2019/10
Rocky Mountain Institute
https://rmi.org/wp-content/uploads/2019/10/rmi_breakthrough_batteries.pdf
為加強能源儲存效率,過去在電池技術上已投入大量資金。除了在鋰離子電池成本和性能有大幅度的改善外,固態、鋅、液流、高溫等新興電池技術的發展快速且更具市場競爭力。

低碳能源為全球能源發展的方向,然而由於再生能源間歇性的特質將使電網造成衝擊,為解決此問題,儲能電池成了現今再生能源發展下相當重要的技術。鋰離子電池為現今儲能電池主要發展的技術,然而在電動車及因應大量再生能源併網所需的儲能需求,使得新興電池技術的發展亦不容忽視。以下針對鋰離子電池及固態、鋅空、液流、高溫電池現今技術發展加以介紹,並說明鋰離子電池面臨之困境相對於新興電池技術在運用上的優勢。

一、鋰離子電池的技術發展方向
至2025年鋰離子電池將持續保持其在化學儲能市場最前沿的地位。除了許多天然氣工廠可透過其儲能技術提升能源使用效率外,低成本的鋰離子電池將有助於電動汽車需求快速的成長。現今鋰離子電池主要針對以下四大部分進行改善:
(一)特定能源
為符合電動汽車發展所需之電池空間及重量,主要針對高鎳錳鈷電池(Li-nickel manganese cobalt oxide, NMC)及鎳鈷鋁電池(Li-nickel cobalt aluminum, NCA)兩種較具優勢的鋰離子電池,在可承受的成本範圍內盡可能提高能量密度。

(二)循環壽命
快速充電及溫度對鋰電池循環壽命有極大的影響,主要以磷酸鐵鋰電池(Lithium Ferrous Phosphate ,LFP)及鈦酸鋰電池(Lithium Titanate, LTO)兩種具良好循環的鋰離子電池為發展之重點。然而受到成本考量,其並非目前製造的主要對象,預計未來這兩類型的鋰離子電池市場占比將持續增加。

(三)安全性
現今鋰離子電池使用高度易燃的電解質,使得電池在冷卻的過程中容易故障,所以在熱管理系統及控制系統方面約增加電池包裝成本1%-5%。因此開發商、投資者、政策制定者及監管單位應熟悉製造商品質的差異,以降低其使用風險。

(四)成本
電池封裝成本約占其總包裝成本的19%-34%,改進電池封裝將有望降低10%-15%的包裝成本。此外改善陰極為降低成本的關鍵要素,尤其是降低價格相對昂貴的鈷之含量。

二、新興電池技術在發展領域的優勢
新技術的發展與成本的降低,使新型化學電池具應用範圍廣泛的特色,未來將比鋰離子電池更有市場競爭力。固態、鋅、液流、高溫電池技術在發展電動汽車與電網上較具優勢的特性如下:
(一)固態電池如可充電式鋅鹼性電池、鋰金屬電池及硫磺電池,將有助於移動載具的電動化發展。
(二)低成本及壽命較長的電池如鋅基電池、具流動性及高溫技術之電池,將適合應用在電動車及高占比再生能源的電網平衡方面。
(三)基於一定成本下之高功率電池將會促進電動汽車快速充電與高普及率的發展。

三、固態電池在性能發展的優勢
由於固態電池屬價格較低廉、安全性較高及性能較高的電池,未來將帶來儲存領域的新契機,面對鋰離子電池發展的困境下,固態電池主要有以下優勢:
(一)固態電池安全性及承受溫度的特性較鋰離子電池佳
1.鋰離子電池面臨之困境:
(1)鋰離子電池電解質具易燃的特質,使其在使用上須面臨熱失控的風險。
(2)安全法規禁止飛航中使用鋰離子電池,其面臨運輸上的限制。
(3)因溫度控制需求導致額外增加的成本。
2.固態電池擁有的優勢:
(1)固態電池具不可燃之特性。
(2)固態電池壽命較長。
(3)固態電池可抑制鋰枝晶的生長。
(4)固態電池能適應寒冷及炎熱的氣候特性。

(二)固態電池能量密度較高,具市場潛力
1.鋰離子電池面臨之困境:
(1)鋰-空氣電池能量密度取決於電池陰極的改進。
(2)需持續研發鋅空電池及改進鋰枝晶問題。

2.固態電池擁有的優勢:
(1)固態電池現今發展有機會將比能量提高四倍。
(2)固態電池的鋰金屬材料具可充電的潛力。

(三)固態電池製作材料較便宜
1.鋰離子電池面臨之困境:
(1)車用鋰電池關鍵材料”鈷”的價格相較於”鋰”的價格昂貴,所需負擔成本較高。
2.固態電池擁有的優勢:
(1)固態電池價格較低約為 30-40美元/kWh,具成本優勢。
(2)固態材料中的有機聚合物相較電池的電解質便宜,且可用於鋰電池中。

(四)製程整合為成功的關鍵要素
1.鋰離子電池的發展:
(1)鋰金屬的投資必須集中在低鋰和鋰箔薄膜的製造,以達到降低成本的目的。
2.固態電池的發展:
(1)朝固態電池與鋰離子電池的製程整併方向發展。
(2)固態電池製造商預計於2024-2025年前建立電動車用的商化電池生產線。

四、新興電池技術在性能發展的優勢
現今電池儲存技術重視能量對功率的價值,以下三種屬低成本及壽命長的電池技術,較適合作為長期儲存之電池,可長時間維持電網平衡。
(一)鋅空電池
鋅基電池的陽極結合低成本的空氣陰極的鋅空電池,製造成本低且具較高電池循環壽命。

(二)液流電池
液流電池透過外部儲存的流體相互流動時產生能量,其發展較為成熟,屬壽命較長的電池,有些產品甚至勝過鋰離子電池。

(三)高溫電池
類似於傳統的發電機,其中液態金屬電池具低成本、壽命長及安全性的特質使其可長時間維持電網的平衡。

楊尚芸
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