LED路燈之電池儲能技術

刊登日期:2017/4/5
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探討用於LED路燈之鋰電池(Li-ion Battery)儲能技術,包含數種正/負極電池材料特性的介紹,以及搭配不同正極之長壽命新型鋰鈦氧(Lithium Titanate; LTO)鋰電池開發現況,並比較採用各種電池(鋰電池、鎳氫電池、鉛酸)的儲能成本。

LED儲能路燈簡介
世界各國為追求潔淨能源,再生能源漸成發電選項,而照明約佔城市40%能耗量。據Northeast Group統計,2016年全球路燈市場規模3.15億盞,若能應用再生能源於路燈,將可有效降低傳統能源使用量。儲能路燈可內建發電裝置,如風光式LED儲能路燈,可同時使用太陽能及風能,並儲能於蓄電池,如此可獨立於電網之外或仍與市電並聯,增加使用上的彈性。結構上可簡單分為幾個單元:照明系統、電控系統、監控系統、儲能系統及發電系統(圖一)。

圖一、風光式LED儲能路燈簡介圖
圖一、風光式LED儲能路燈簡介圖

儲能鋰電池正/負極材料
據IEK統計,2015年正極材料總出貨量為174,715公噸,產值達32.11億美元;而負極材料為81,650公噸,產值達10.2億美元,預期兩者在未來數年將有10%的年成長率,以下將分別介紹常見之正/負極材料。
2. 負極材料
(3)鋰鈦氧(Li4Ti5O12, LTO)
鋰鈦氧放電機制如下(Core-shell Model,如圖十二):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1.55 V。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。

此材料需克服的缺點為易產氣,材料表面的鈦會催化電解液,使其還原產生主成份為氫的氣體。製程中嚴格控制水份、表面包覆、電解液改良等均是改善的方式。

儲能電池技術
要使鋰電池能夠長期使用及降低使用成本,最佳方法是負極採用具超長循環壽命之鋰鈦氧(LTO)材料。過去研究中搭配的正極多為LFP、LMO,在倍率能力及循環壽命均優良,但能量密度較低(LFP~50 Wh/kg、LMO 55~60 Wh/kg)。為進一步提升其能量,正極使用高電壓或高電容量材料為開發方向,高電壓正極材料如LMFP、LNMO或混摻型正極LMFP+NMC皆為潛力發展項目。

以下將介紹目前工研院材化所在新型鋰鈦氧電池的研究進度。
1. LMFP-LTO電池
LMFP-LTO擁有比LFP-LTO更高的工作電壓,由1.9 V提升至約2.3 V,在0.5C充電速率下,倍率能力Q15C/Q0.5C = 86.0%(圖十四),循環壽命優(圖十五)。為提升能量密度,增加正極單位面積塗物重,塗物厚度增加後,導致倍率能力降低,加入微量奈米碳管(CNT)以降低導電石墨及碳黑用量後,有效增進了大電流放電能力,電池內阻由26.7 mΩ下降至12.4 mΩ,而Q6C/Q0.2C由10.1%增加到73.0%,能量密度達71.3 Wh/kg,證實CNT的高電導率對電池性能的提升(圖十六)。

圖十六、(a)未添加;(b)有添加CNT對LMFP-LTO電池性能的影響
圖十六、(a)未添加;(b)有添加CNT對LMFP-LTO電池性能的影響

3. LNMO-LTO電池
正極使用高電壓尖晶石LNMO,可將工作電位提高至3.2 V,在0.5C充電速率下(無浮充),倍率能力Q15C/Q0.5C = 84.2%(圖十八),能量密度達110 Wh/kg以上。以LNMO作為正極,可提升---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:柯冠宇、廖世傑 / 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」364期,更多資料請見下方附檔。


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