探索材料及技術可能 多方強化電池特性

探索材料及技術可能 多方強化電池特性


電池技術的發展,主要受到3C產品及日漸崛起的電動車及儲能市場的需求所左右。首先,在消費性電子產品所需的電池方面,近年由於手機等行動裝置幾乎是無止盡地追求性能提高及功能增加,因此對於電池長效性帶來更嚴苛的考驗,也就是要在現有的輕薄化設計中,以更少的電池提供更高的電容量,電池能量密度的提升幾乎已到了走火入魔的地步。

在2016年鬧得沸沸沸揚揚的三星Note 7電池爆炸事件,箇中原因就是Samsung集團旗下的Samsung SDI將電池體積能量密度一舉擴充至691Wh/L,導致電芯隔離膜厚度太薄,電池的不安全性升高。套句台灣電池協會理事長李桐進所言,「電池是需要呼吸空間的,不讓電池呼吸,當然就會出問題。」因此,如何透過材料及設計的改善,同時兼顧電池安全性及能量密度的提高,就成了電池廠商的主要努力方向。

輝能的「軟板薄型鋰陶瓷電池」採用固態電解質,且能自由彎曲,適合各種應用。
提高安全性  採用固態電解質

為了提高安全性,拿掉危險因子是最直接的解決途徑。在電池中,電解液就等同於易燃物,長時間的使用易產生漏液現象,進而造成燃燒或爆炸,大大危害安全,因此將電解液換為固態電解質,也就避開了電池燃燒爆炸的風險。

在安全性的訴求下,固態鋰電池已成為鋰電池研發的顯學,許多研究單位及業者皆已多方投入,例如工研院已積極開發下世代固態電池,核能研究所也投入研發「全固態薄膜鋰電池(SS/LiCoO2/Lipon/Li)」。

「全固態薄膜鋰電池」的正極、負極和電解質全部由固態材料組成,經由固態薄膜的層層堆疊組成,不會在短路時或長時間使用後發生漏液,造成燃燒或爆炸。

據了解,此一可撓式全固態薄膜鋰電池,為運用物理氣相沉積與蒸鍍的方式,利用可撓式基材製作,以射頻磁控濺鍍法控制鋰電池中正極薄膜與電解質薄膜結晶取向,再以蒸鍍法沉積負極薄膜,層層堆疊,並於最外層以不銹鋼熱封技術確保元件不受水氣與氧氣侵入,最終形成全固態薄膜鋰電池元件。

在台灣電池業界中,輝能科技所生產的鋰電池則是採用固態鋰陶瓷電解質取代電解液。不過,採用固態電解質雖能夠強化電池的安全性,然而固態鋰電池的內阻質偏高,卻會造成快充快放等效能無法與鋰聚合物電池相較,因此,在提高安全性的同時,降低內阻值也是一體兩面的課題。

在安全性的追求上,工研院與與史丹福大學合作開發的「可高速充放電的鋁電池」技術,則是將電解液的有機溶劑改換為無機溶劑,如此一來,即使遇到高溫短路也不會起火,移除了有機溶劑一旦發生短路時就容易起火的風險。此外,唯電科技的金屬氧化物超級電容甚至是採用無隔離膜設計,可大幅提高元件安全性。

搭配再生能源  儲能市場潛力大

除了3C產品外,電動車及儲能系統對於電池的需求明顯增長,且未來成長潛力龐大,皆促使電池產業將更多心力放在開發符合這兩大領域應用特性的電池產品,讓氫能燃料電池、鋁電池、甚至超級電容這些覬覦鋰電池市場的另類選擇,有了更大的空間可以發揮。

據了解,Tesla公司的Model3訂單已累積達50萬台,產值約新台幣5,800億,所需的鋰電池產值約新台幣2,000億,所需的電池材料產值約新台幣1,400億。在儲能市場方面,根據日本統計,全球電池儲能系統將由2015年的1,313億日圓,於2025年成長為7,423億日圓,目前儲能所使用的電池種類包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰電池等,其中又以鋰電池為主,佔有比例高達8成。

電池儲能的種類多,成本是大量應用的主要關鍵點,根據美國能源局(DoE)所提出的2020年儲能系統成本目標,希望電池儲能系統全壽期的使用成本能夠低於USD 0.1/cycle/KWh。

儲能系統的需求與全球追求再生能源的趨勢緊密相關。再生能源發電主要以太陽能光電及風力發電為主,而儲能系統的導入可以解決再生能源發電不穩定的問題。再者,大量再生能源饋入既有電網時,會造成局部電網電壓或頻率的變動,因此需要電網型儲能系統來讓電網出力平滑化(frequency regulation),以穩定電網電力的電壓與頻率輸出。

根據政府的宣示,台灣將於2025年邁入非核家園,而大量再生能源設備的建置,勢必需要搭配大量的儲能電池。由於電池儲能為內需市場,許多台灣業者也都寄望儲能市場的崛起能突破台灣電池產業無內需市場支撐的困境。

與鋰電池電動車爭輝  氫燃料汽車不容忽視

電動車的電池應用是另一個備受矚目的市場,尤其是TESLA的鋰電池電動車聲勢浩大,然而,我們不能忽視的是氫燃料電池車也有其優勢。

根據研調單位統計,近3年來燃料電池的出貨量都有超過50%的成長率,且預期未來5~10年成本大幅下降,預估燃料電池市場將從2013年的6.3億美元成長至2018年的25.4億美元左右,燃料電池產值正逐年擴大,將由利基市場進入主流市場,其中成長潛力最大的應用就是在車用市場。事實上,Toyota、Honda、南韓現代都分別於2014~2017年量產燃料電池汽車。

台灣過去汽車產業未有完整產業鏈與自主關鍵零組件技術,因此投入燃料電池汽車研發,需配合國際研發分工與產業整合,元智大學燃料電池中心主任翁芳柏的看法是以材料零件或次系統為可能產業投入領域,材料零件如金屬雙極板開發、電池組量產與組裝技術、高壓儲氫罐的碳纖材料與加工製程等。而系統整合技術則可考慮以電動機車或電動巴士為台灣產業可能進入的產業領域,因為此部分已有相對的產業基礎。

整體而言,在此全球反核聲浪高漲的情況下,建立穩定、安全、環保、價格低廉的電力來源已是刻不容緩,如何透過各種電池材料及技術的探索,打造乾淨能源的可能性,這是朝非核家園邁進的台灣需加緊思考的課題。


留言

這個網誌中的熱門文章

各種氣體流量測定

安全專家:美國網絡大癱瘓與中國產品有關

工研院超音波貼片 搶攻全球穿戴商機