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
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
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。