新世代電池材料在電動車與儲能系統的發展機會(下)

 

刊登日期:2020/3/5
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陳金銘/工研院材化所
【內文精選】
2. 高能量快速充電電池技術
油電混合電動車又可分為微混合電動車(Micro Hybrid EV)、中度混合電動車(Mild Hybrid EV)、高度混合電動車(Full Hybrid EV)。雖然純電動車具有零CO2排放的優勢,但價格與充電系統等在電動車時代初期較挑戰。目前市場上推出的電動車產品,仍然以結合燃油引擎與電動馬達的油電混合電動車較多。根據Ricardo的調查報告指出,怠速啟停系統(Idling Start-stop System; ISS)可減少3~4%的CO2排放;12 V微混合電動車可減少4~10%的CO2排放;搭配怠速啟停系統的48 V微混合電動車與中度混合電動車可減少10~15%的CO2排放;高度混合電動車是目前的主要市場應用產品,雖然可減少15~20%的CO2排放,但成本較高,目前歐洲車廠正全力發展48 V微混合電動車。
 
圖九、48 V微混合電動車構造圖
圖九、48 V微混合電動車構造圖
 
由於48 V微混合電動車對電池的需求是高功率密度與快速回充能力佳的電池,而傳統鋰電池其主要缺點在於快速回充能力及循環壽命,為解決這個問題,負極可採用鈦酸鋰負極材料(Li4Ti5O12; LTO)。鈦酸鋰材料結構穩定,循環壽命超長(>10,000次),充放電時幾乎無體積變化,且具有5分鐘快速充電能力與安全性優。雖然鈦酸鋰電池能量密度較低,但最適合應用於怠速啟停系統與微混合電動車應用。日本東芝(Toshiba)發展鈦酸鋰快充電池已經應用於電動自行車、微混合電動車。在DENSO所製造「ene-CHARGE」啟停系統,已採用東芝製造之3 Ah SCiB鈦酸鋰電池(68~85 Wh/kg)製作12 V啟停電池模組,大量供應第一代12 V微混合電動車使用。將來應該開發高能量快速充電電池(120 Wh/kg)技術來符合未來48 V微混合電動車的使用。
 
工研院所開發之鈦酸鋰材料在0.2C(5小時)放電下的電容量達160 mAh/g,如果在5分鐘(12C)高速充放電,其材料電容量達130 mAh/g(圖十),循環壽命>10,000次,顯示鈦酸鋰負極材料具有高速充放電能力與超長壽命的特性。鈦酸鋰負極材料粉體的比表面積<8 g/cm3,其振實及壓實密度分別達1.2及2 g/cm3以上,此材料技術已移轉給台灣中油公司。
 
為了進一步提升快速充電電池的能量密度,工研院材化所使用中油試量產的鈦酸鋰(LTO)負極材料,結合新開發完成的高電壓尖晶石鋰鎳錳正極材料(LiNi0.5Mn1.5O4; LNMO),來製作高容量快速充電電池,該鋰鎳錳-鈦酸鋰(LNMO/LTO)電池能量密度可達~120 Wh/kg。由於鋰鎳錳(LNMO)正極材料具有高工作電壓達4.7 V,圖十一為鋰鎳錳(LNMO)正極材料的倍率能力測試圖,具有高速放電能力達20C(3分鐘放電)。因此鋰鎳錳-鈦酸鋰(LNMO/LTO)電池的工作電壓可提高至3.3 V,因而大幅增加高容量鈦酸鋰電池的能量密度達120 Wh/kg。鋰鎳錳-鈦酸鋰(LNMO/LTO)鋁箔包全電池,在0.2C放電速率下,其電池電容量0.46 Ah,可達12C(5分鐘充電)快速充放電能力,圖十二為LNMO/LTO鋁箔包全電池的倍率能力測試圖。圖十三為LNMO/LTO 18650圓筒型電池的循環壽命圖。
 
圖十一、鋰鎳錳(LNMO)正極材料的倍率能力測試圖
圖十一、鋰鎳錳(LNMO)正極材料的倍率能力測試圖
 
儲能電池技術趨勢–高能量超長壽命儲能電池技術
台灣預計在2025年邁向非核家園,因此需要多樣化電力來源與積極發展(20%)再生能源發電。然而再生能源發電的不確定性將造成局部電網電壓或頻率的變動,若大量再生能源電力饋入電網時,需要電網型或分散型儲能系統來穩定及調節電網的頻率,以提高電力使用穩定度。根據富士經濟2016年調查報告,2025年全球電池儲能系統將達25億美元,約成長5倍,主要以鋰電池儲能系統所占比例(80%)最高…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》399期,更多資料請見下方附檔。

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