電動巴士電池與材料技術

 

刊登日期:2016/3/5
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隨著全球氣候暖化及能源短缺危機,各國皆將節能減碳視為重要施政議題。根據國際能源總署(IEA)統計,2010年全球交通運輸二氧化碳排放量占 31%,為抑制交通運輸排碳量,各國皆制定更嚴格排碳標準,尤以先進國家中歐盟訂定的汽車二氧化碳排放標準最為嚴苛,希望 2020年目標為 95 g/km,而以大型車輛為主要運輸工具的美國,亦希望 2025年迅速降至 107 g/km。因此,推動電動公車,除可降低每天吸柴油巴士廢氣的通勤族健康風險,也能真正降低公共運輸工具每公里排放之二氧化碳。

電動巴士市場
根據研調機構的預測,全球電動商用中大型車輛需求將從 2014 年約 7,500台成長近 3倍,至 2018 年約 20,000台;由於大眾交通運輸巴士具有特定用途、固定路線、集中管理及使用者廣泛等特色,將是初期最適合推動及被市場接受的電動車示範車種。在台灣,近年來國內電動巴士銷售規模逐年增高,目前已有華德動能、立凱綠能、唐榮汽車、必翔電能等 4家業者,共上百輛電動巴士於台灣各縣市或觀光景點營運。這背後最大的驅動力,便是來自於政府的力推。

電動巴士電池市場
從 2013 年起,電動巴士所需電池之應用市場主要以中國大陸為主。從 2009年主要為BEV出貨量為主,隨著時間演變至 2014 年,PHEV 車的出貨量已超過BEV。圖三為中國電動巴士之電池市場比較。若以全球電動巴士產量市占率觀察時,2014 全球電動巴士產量仍以宇通客車集團居首,其他依序為長期投入電動巴士之歐系廠商 Volvo、聚焦純電動巴士技術之比亞迪、美系巴士大廠 New Flyer 與蘇州金龍等。對於電池廠商來說,混合動力業者仍有部分導入鎳氫電池與超級電容器,但部分混合動力業者與純電動業者是以鋰電池作為技術主流,且更傾向使用磷酸鋰鐵電池技術,這種電池需求傾向與近年電動汽車轉向鋰鈷鎳錳三元正極材料電池的發展趨勢有所不同,似乎在電動巴士此一市場區隔上,磷酸鋰鐵電池的技術特性更符合電動巴士導入使用。
 
高電壓磷酸鋰鐵錳正極材料
磷酸鋰鐵正極材料的工作電壓僅有 3.4V,相較於其他的正極材料偏低,為了改善傳統磷酸鋰鐵正極材料低工作電壓的缺點,於是利用摻雜過渡金屬和複合導電碳材,設計出多元複合型磷酸鋰鹽正極材料,提升磷酸鋰鹽的工作電壓。。工研院材化所的奈米複合磷酸鋰鐵錳正極材料,利用摻雜錳金屬和奈米導電碳網路技術,來提高材料工作電壓及導電度,奈米複合磷酸鋰鐵錳正極材料的平均工作電壓達 3.75V,克電容量達 120 mAh/g (1C Rate),大電流放電>20C,將可提升磷酸鋰鐵正極材料的能量密度達 10%以上,如圖四所示。
 
圖四、奈米複合磷酸鋰鐵錳正極材料(a)粉體外觀SEM(b)高速率放電圖;(c)循環壽命測試圖
 
大陸恒通快充電動巴士
上述之磷酸鋰鐵材料為電動巴士常用之正極材料選擇之一,負極材料仍以傳統石墨碳材為主,並無法快速充電。而鈦酸鋰電池的出現,讓電動巴士在快充商業化道路上的電池技術瓶頸得到突破,而恒通電動巴士所採用的快充技術,也是其生產純電動車得以商業化運行的法寶之一。市場上電動客車的充電有三種,包括慢充、換電充及快充。其中,慢充需要 3小時以上,而換電充需要額外準備一套電池,無疑成本被進一步拉高。研究顯示……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖七、
(a)ABB(b)Volvo 電動巴士快速充電設施
 
作者:呂承璋 、陳金銘 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」351期,更多資料請見下方附檔。

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