鈦酸鋰電池在儲能系統之應用

刊登日期:2017/2/5
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再生能源發電簡介
再生能源發電方式分類如圖一,商轉規模較大的為水力、風力、太陽能發電。再生能源發電總發電量佔全球發電量 22.3%(2014年),其中以水力發電(16.4%)佔比最高,其餘為生質能、風能及太陽能,如圖二。雖然風能及太陽能發電量在全球市場的佔比仍低,但近年來OECD(Organization for Economic Co-operation and Development)國家新增之再生能源機組以風能及太陽能為主,發展潛力十足。
 
OECD國家在 2015年之再生能源總發電量(扣除抽蓄式水力發電)為 2,471.1 TWh,其中 55.6%為水力發電,風能及太陽能則分別為 23.0%、7.0%(圖三)。OECD國家再生能源總發電量於2015年成長率為3.8%,主要成長動力來自於風能及太陽能,風力發電量增加了78.1 TWh(德國、美國、英國)、太陽光電則為27.3 TWh(日本、英國、義大利、德國)。


圖三、2015年OECD國家各種發電量比
圖三、2015年OECD國家各種發電量比

 
儲能系統簡介
儲能系統之儲能型式可概分為機械能(MSS)、電化學能(Electro-Chemical)、化學能(Chemical)、電能(Electrical)、熱能(Thermal)與混合式(Hybrid)(圖五)。本文主要討論的鈦酸鋰(Lithium Titanate)電池(鋰二次電池的一種),屬於電化學能。
 
鈦酸鋰電池技術
鋰電池負極絕大多數使用碳材,雖可提供較高的能量密度,但缺點在於安全性及循環壽命不好,為解決這個問題,負極可採用鈦酸鋰負極材料。鈦酸鋰材料結構穩定,循環壽命良好;充放電時幾乎無體積變化,較高的工作電位使得它在高速充電狀態下,材料表面不會發生鋰沉積而導致短路,安全性優良。以鈦酸鋰作為負極可解決壽命及安全性這兩個問題,而鈦酸鋰電池成本較高的缺點也能藉由長循環壽命而攤平。
 
鈦酸鋰放電機制(Core-shell Model)如圖八所示,活性物質表面發生還原反應(Ti4+→ Ti3+),並由 Spinel 結構的 Li4Ti5O12相變化為 Rock-salt 結構的 Li7Ti5O12,也就是呈現外殼 Rock-salt 而核心為 Spinel,此時的放電平台因兩相共存而為1.55V。隨著放電時間增加,外殼增厚核心變小,最後完全相變化成為單一 Li7Ti5O12 相的顆粒後,電位開始下降,從 1.55 V降至約 0.7 V。

圖八、鈦酸鋰放電機制圖
圖八、鈦酸鋰放電機制圖

 
日本東芝 Toshiba 鋰鈦氧電池「SCiB(Super Charge ion Battery)」(圖十五),2.9 Ah - SCiB能在1 分鐘內快速充電達80%,10C 充放電速率、溫度 35˚C下循環壽命可達 40,000次(仍保有80%以上電容量),且在-30˚C測試依然有80%以上的電容量;20 Ah-SCiB能在 6分鐘內充電達 80%電容量,以 3C充放電循環壽命可達 40,000次(仍保有80%以上電容量),且在-30˚C測試依然可放出 75%以上的電容量。
 
工研院材化所鈦酸鋰電池技術

工研院材化所使用自製之鈦酸鋰(LTO)負極材料搭配商用錳酸鋰(LMO),製作 18650電池芯,工作電位為 2.5 V,測試其倍率能力及低溫性能。組裝而成的 18650電池 0.2C容量為 1.0 Ah,常溫下10分鐘可充80%以上的電量(圖十七)。低溫測試部分,0.5C室溫充電、低溫放電下,-30˚C仍保有 80%以上電量;而 1C室溫充電、低溫放電下,-20˚C仍保有 90%以上電量(圖十八)。圖十九則為常溫循環壽命測試,充放電速率均為 1C,截止電壓為 1.6~2.8 V,在充放電 2,200次後,仍保有 90.4%的電容量。為進一步提升鈦酸鋰電池的能量密度,研究將正極改為------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:柯冠宇、陳金銘 / 工研院材化所;黃瑞雄 / 台灣中油(股)公司綠能科技研究所
★本文節錄自「工業材料雜誌」362期,更多資料請見下方附檔。


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