World Smart Energy Week 2015東京現場直擊系列報導二

 

刊登日期:2015/2/27
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賴秋助、呂學隆、孫文檠、蔡麗端、曾寶貞寄自東京

能源界年度盛事 World Smart Energy Week 在主辦單位 Reed Exhibitions 公司的戮力經營下,規模一年比一年盛大。如果是常到東京看展的朋友,今年走進 Big Sight應 該會嚇一大跳!因為過去西館常用來辦理報到的空間已被今年首度登場的第一屆電力自由化 EXPO 的參展攤位擠滿,而報到處則移至 Big Sight 會議大樓的入口處設攤。因此,一進 Big Sight 大門便可感受到人潮滾滾、萬頭鑽動的熱鬧氣氛(圖一 ~三)。


圖一、World Smart Energy Week 2015位在東京國際展示會場西館的報到處


圖二、因應2016年日本即將實施的電力自由化政策而規劃的電力自由化EXPO甫登場即擠進滿滿的看展人潮


圖三、有820家與二次電池、燃料電池、風力發電等相關的廠商在西館設攤展示

展會現場巡禮
Battery Japan 2015 產品趨勢觀察
讓我們再度回到 Battery Japan 展場,持續觀察分析今年的商品特色與技術趨勢。在電池的技術變化方面,除了第一天重點呈現的電池材料技術發展方向外,包括製造技術、生產技術與製程前後檢測監控等技術也占有重要角色。在今年的展會上,主辦單位特別將電池相關設備廠商集中擴大展出,並且在搭配的技術研討會上,首次將生產技術與設備技術設立專場呈現,可看出展會內容更為全面的特色。

在二次電池的應用領域當中,對於不同應用市場的電池,會搭配不同的電池技術來做應用設計。如在消費性電子產品領域,因可攜式電子產品走向輕薄化設計,對於整機產品的內部空間利用效率自然成為各家業者的設計與研發重點。此外,在積極推出新產品、切入新興應用市場的策略下,也需要更多彈性化的設計組合,以及多樣化的零組件特性,因此也影響到展會上出現的最新電池相關設計。晚近較為熱門的穿戴式裝置在去年展會上已有諸多廠商展出,本次展場上則有日商Seiko Instrument、FDK、天津力神與日本 BMO、韓國 RouteJD 等廠商展出相關產品,預期在短時間內因穿戴式裝置的需求,微型化電池、曲面/異型電池等的需求預料將成為技術聚焦重點(圖四、五)。


圖四、日商Seiko Instrument針對穿戴式裝置展出之微型電池技術


圖五、天津力神公司展出之穿戴式裝置用特殊形態電池

本次展會所展示的穿戴式裝置用相關電池,可分為薄型電池( FDK )、不規則狀電池( 力神、BMO、RouteJD )以及微小化設計( SII )。使用薄型電池進行堆疊來填滿內部結構側邊的不規則化或弧線化的空間,可以將穿戴式裝置極為有限的空間做最大程度的利用與增加電池實際容量;或是利用不同容量的電池進行並聯,將產品邊緣的餘留空間填滿。以 FDK展出的薄型電池來說,厚度不到1mm,且具備可彎折之特性,在會場上也展示該電池技術搭配無線充電模組設計(圖六)。


圖六、FDK展出之薄型鋰離子電池技術與搭配無線充電模組設計

在不規則型態如半月型、多邊形等封裝電池產品方面,主要優點在可視客戶需求專門設計,並已進入量產階段,目前已廣泛應用於穿戴式裝置、行動電源等領域。在微小化電池部分,展出的則有日本 Seiko Instrument Inc.、日商 BMO等。廠商藉由差異化的穿戴式裝置相關電池產品推出,在眾多軟包裝鋰電池供應廠商中,創造差異化是其經營的一大特點。

在動力電池的系統方面,最可明顯感受到的是參展廠商以混和式動力系統,尤其是微混型系統做為展出主軸的狀況,且與2014年展會有所不同的是眾多超級電容器業者展出其鋰離子電容器新產品,應用於高壓與需要更高能量密度之設計情境。如以晚近的怠速啟停系統結構設計與電池技術變化來觀察,逐漸有廠商導入磷酸鋰鐵電池以及其他如超級電容器等不同功能整合技術,強調與過往直接使用12V鉛酸電池或鋰離子電池相較,可進一步提升供電系統穩定與強化汽車電氣結構。

當然,因鋰電池、超級電容器的成本較鉛酸電池高出數倍,因此也大幅提升了安裝成本,以及衍生的系統整合設計、軟硬體設計成本與技術門檻。但相較於整車售價來說,安裝怠速啟停系統僅需增加低於 1千美元的成本,就可以取得未來汽車行駛時 3~8%的節油效率,對購車消費者而言,長期來看仍有一定的吸引力。以 MAZDA「i-ELOOP」的煞車動能回收系統為例,這套系統與傳統的煞車動能回收系統不同之處在於,以超級電容器取代鉛酸電池,相較於鉛酸電池、鋰電池擁有更理想的充電與放電速度,藉由這套系統回收儲存車輛減速時的動能,能夠提高 10%的燃油效率,儲存車輛減速時回收的動能,同時也擺脫電池頻繁充放電容易使壽命快速衰退的問題,捨棄傳統動能回收系統需要專用馬達與電池的困擾(圖七)。


圖七、日本Chemi-con展出之DLCAP系列起停系統設計與在日導入車種

在其他動力電池技術上,也有如 Toshiba 展出其應用鋰鈦氧化物的 SCiB 系列電池,且同時於技術研討會上展出相關應用資料(圖八)。以目前 Toshiba 的策略來觀察,似乎認為 SCiB 電池可以成功在需要快速充電與更長電池壽命的應用領域取得主導地位,因此也將其率先投入ISS系統領域、儲能與工業應用,在其能量密度較低以及高價的現有缺點來說,也試圖藉由更換更高能量密度/更高電位之正極材料的作法來加以改善。


圖八、Toshiba於會場展出之SCiB電池技術

另一項在展會上出現的新興應用,主要是朝向工業製造自動化衍生的需求,如自動導引機器人應用之電池,過去一年的全球出貨數量約僅1萬部,且多數應用鉛酸電池,在展會上也有廠商展出以鋰電池搭配的設計,並且開始逐步符合晚近的工業自動化風潮(圖九)。法國廠商Saft向來為眾多特殊應用用途電池廠商,本次也在會場上展出鐵道運輸用電池、外太空與高空環境應用電池等技術,應用於航太工業以及歐洲鐵道運輸。


圖九、Hitachi Chemical現場展出之無人搬運車用鋰離子電池

總括來說,今年 Battery Japan 展會內的二次電池技術仍符合晚近的下游應用需求變化,消費性電子產品的電池技術朝向穿戴式裝置此一新領域發展,因而衍生出諸多不同於過往的電池設計。動力電池領域在持續投入發展下,也有如起停系統逐步邁向成熟,並且推動部分儲能技術如電容器進一步進化到鋰離子電容器的商品化。在工業與儲能應用上,因為過去多採用鉛酸與鎳氫、鎳鎘電池,加上其較高毛利的吸引力,也成為鋰電池廠商的重要投入標的。

PV EXPO 2015 產品趨勢觀察
日本參議院在 2014年 6月通過電氣事業法修正案,將自 2016年起電力零售全面自由化,目前自由化對象僅工廠及辦公大樓契約容量在 50KW以上之大型使用者,若將家庭用戶及商店用戶全面開放自由(占用電量之四成),其市場將達 7.5兆日圓。隨著固定價格收購制度(FIT)的實施,百萬瓦級光伏電站的市場將呈爆炸性增長,因此在本屆 PV-EXPO 2015已引起相關企業競相投入。

日本太陽能電池大廠京瓷( Kyocera )除了推出傳統陸上太陽能電廠 O&M 方案外,另外提出浮動式太陽能水上電廠計畫(圖十)。Kyocera預計要在關東地區千葉縣山倉( Yamakura )壩水庫開發 13.4百萬瓦的水上浮動式太陽能發電廠,從產能方面估計,這將成為世界上最大的漂浮式太陽能發電廠,並預計 2016年 3月上路。


圖十、Kyocera提出陸上及水上太陽能電廠方案

另外,Kyocera也發表”ECONOROOTS ADVANCE”系列的屋頂型太陽能模組,可安裝在面積有限的日本傾斜屋頂上,相較於一般市售太陽能模組,能夠提升約40%的發電量。除了使用效能較高的單結晶矽太陽電池外,對於屋頂不規則的形狀,也能有效地利用屋頂空間。且Kyocera的太陽能發電系統,能夠支持各種屋頂材料(圖十一)。  


圖十一、Kyocera發表”ECONOROOTS ADVANCE”系列的屋頂型太陽能模組

Kyocera公司除了展示與IMEC合作的高效率銅電極製程太陽電池外,今年特別展示出與建築整合的建築一體型太陽能(BIPV)。現場施工示範人員一人即可完成小型薄膜太陽電池模組的組裝,簡易的施工方式獲得現場看展人潮的高度興趣。其模組邊框與薄膜電池顏色也搭配得非常協調,兼具美觀及實用(圖十二)。


圖十二、Kyocera發表BIPV薄膜太陽能模組

今年日本Sharp公司依然展示多項太陽能產業相關產品,是展場中最受矚目的焦點之一。除了展示與Kyocero類似的屋頂型模組外,其”BLACKSOLAR”是目前已量產六吋方太陽電池中效率最高者之一,此結構為IBC(Interdigitated Back Contact)。Sharp公司達成此高效率電池的技術包含電池受光面無電極技術(相較傳統正面電極電池提升6%)、銅電極技術、表面鈍化技術及N型矽材技術等四項。今年該公司更進一步將背面銅電極拉長及增加數量,共增加20%的金屬面積。

Sharp公司在模組邊框設計方面,去除受光面下邊框。從日本下雪時實測,在 10°-30°斜角的條件下,雪會沿著下方滑下,而不會有積雪產生。因此比起有下邊框的模組設計,可得到更多的發電瓦數,如圖十三所示。


圖十三、Sharp下邊框設計可減少積雪的產生

Sharp公司另一項受到矚目的產品是”PV-Thermal System”,該系統是在PV模組背後製作成導熱設計。白天當PV模組因日照而溫度上升時,熱將由背後導出至儲熱器,供家用煮水或暖房使用(圖十四)。一旦熱導出PV模組後,模組溫度降低,其發電效能又再提升。因此,此一發電/發熱共循環系統,不但可增加發電量又可以節省暖房能源,一舉兩得。是Sharp公司展出詢問度最高的產品之一。


圖十四、Sharp發表PV-Thermal System (a)正面為PV模組(b)背面為導熱板

韓國的 Hanwha Q cells 公司此次展出 Q.ANTUM 系列太陽電池模組。Q.ANTUM 系列太陽電池為一 PREC ( Passivated Emitter Rear Ccell )結構太陽電池,與其他競爭者的最大差異在於 Q.ANTUM 太陽電池在低照度條件下,仍具有極優異之抗衰減能力。此次 Hanwha Q Cells公司特別展示在 200W/m2下,與各家生產的模組所進行的發電測試比較。驗證結果是 Hanwha Q cells 公司所開發的矽晶太陽電池模組與其他業者的太陽電池模組在相同地點及相同時間條件下比較,該公司在低照度的發電量仍有 98.5%,優於其他業者(圖十五)。


圖十五、Hanwha Q cells公司展出Q.ANTUM 系列太陽電池模組

基調演講精摘
產業先進對可充電電池的現狀分析與未來展望
每年主辦單位企劃的 Keynote Session 都是展會的重點。今年的 Battery Japan 基調演講邀請到的主講者有:Honda的Mr. Matsuo,以技術的角度討論 Honda 發展電動化車輛的必要性;BMW的Dr. Lamp,從較觀照性的角度,說明如何將電動車產業做好;壓軸則以 Toshiba 的 EVP Egusa san 介紹 SCiB 的發展策略。各有各的角度與關聯,主辦單位相當用心做了不錯的安排。

首先,Honda 從環境與法規的需求出發,討論許多如何增加燃料效率的比較,也定義了 FCV 的定位,因此討論了 HEV、 PEV、 BEV 等各種電池的要求。其中,HEV 已經由鎳氫轉向三元素鋰電池,而 PHEV 與 BEV 則選擇了鈦酸鋰,如圖十六。對於未來的期望則主要以提升容量及更高安全性,期望電池能達到 200Wh/kg,耐高壓電解質甚或固態電解質等高安全性系統為主。


資料來源:Battery Japan 2015 keynote Session

圖十六、Honda xEV鋰二次電池運用區間與選用材料

BMW 認為,電動化的時間點已經到了;不管是技術、社會期望、客戶利益或法規要求,車輛產業將由現在的 HEV 與I CE 過渡到高度電動化的 Hybrid 與 EV車。因此,BMW以一個全新觀點的電動化車輛出發,重新設計車輛;針對底盤、車身、維護、服務模式,以及電池設計製造的可生產性與維護彈性均重新思考,而推出的則是 BMW i系列的車輛。

BMW並對電池提出了幾個極佳觀點:(1) 沒有好電池,一定沒有好 Pack;有好電池也不一定可以有好 Pack,品質、安全、成本都很重要。(2)要將電動車電池做好,OEM 廠、電池廠、Pack 與零組件供應商需要非常緊密的合作與互動。所有可以 Cost Down 的設計,以及最安全可靠的管理,可能均需要透過這些合作與討論給淬煉出來。 (3)電動車需要在各種操作環境下,得到相當一致的輸出品質,因此,在相當的 SOC 範圍以及溫度區間內,電池的輸出能力不能差異太大(如圖十七)。


資料來源:Battery Japan 2015 keynote Session

圖十七、BMW提出對鋰電池操作特性之要求

推估 Toshiba 應是對鈦酸鋰電池的特性做了相當完整的分析,才選擇走了 SCiB 這條路,並以這些特性說服合作夥伴,共同開發應用。該公司將戰略目標鎖定在車用與儲電裝置。這些系統都能滿足非常高的安全、壽命、高低溫與快速充電等要求。根據報告,Toshiba SIS 公司已經在此領域建立灘頭堡,SCiB 已經導入 Denso供應體系,並進入相當多車種的 ISS( Idling Stop Start ) 電池市場(如圖十八)。在高能量部分也導入了前述的 Honda Fit EV。現在更利用其快速充放的容量差異小、壽命長及 SOC使用範圍較廣的優點,積極搶入快速充放電的應用(如圖十九)。過去台灣大陸搶作鋰鐵磷,但 Toshiba 選了一個電壓更低的系統,並利用此產品的特性強攻了許多應用市場,此舉恰好應了那句:天生我才必有用的老話。


資料來源:Battery Japan 2015 keynote Session

圖十八、Toshiba SIS鈦酸鋰電池在ISS應用


資料來源:Battery Japan 2015 keynote Session

圖十九、鈦酸鋰電池在快速充放的應用特性與優點

總結整個會議的討論,雖然應用端,如電動車輛產業對於鋰電池的容量始終不滿意,但為了安全性,到最後如鋰鐵磷、鈦酸鋰等低容量電池終究都被導入應用在 PHEV 以及 BEV。車廠可以重新定義產品屬性,透過定義 EV作為好上手的短程車或都會車,同時將客戶的安全與舒適擺在第一位。國內業界目前可能也常常面對許多客戶需求的選擇,如何兼顧長遠發展與品質的穩定,也許是這些講者可以給我們的啟發。

展會即將邁入第三天,最後一天還有哪些精采內容將呈現給大家呢?敬請期待我們的後續報導。

以上是材料世界網/工業材料雜誌編輯群:賴秋助、呂學隆、孫文檠、蔡麗端、曾寶貞來自東京 World Smart Energy Week 2015 現場的Live 報導。
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