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
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
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。