工業材料雜誌九月號推出「循環經濟」及「鋰電池儲能系統」兩大技術專題

 

刊登日期:2019/9/4
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循環經濟-產業未來競爭力
氣候變遷的影響與循環經濟理念的推動,引領人們反思便利消費對生活與環境所帶來的衝擊,也引發國際品牌商積極尋找更符合人類永續的產品設計與製造模式,循環將是未來產品設計的重要元素。本期「循環經濟」技術專題介紹國內幾個重要產業製程副產物的新循環路徑或產品的新循環路徑設計需求,各篇專文分析這些物料過去處理的做法、國際法規與技術發展的新趨勢。新的想法與做法也許一開始稍增加投資,但若加回環境成本,循環經濟將為產業帶來更多的國際競爭力與經濟效益。循環經濟的理念,係整合氣候變遷、環境保護、產業永續發展與人類生活態度之最佳情境樣態的想像,對於人類的永續提供良好的指引。技術的突破與拓展或可協助產業跨過威脅、點燃改變的火苗,但對於真正綠色永續的生活環境,仍待使用物料與產品的我們,認真珍惜我們所擁有的資源。
 
轉爐石為一貫作業煉鋼副產品,我國每年約產生160萬噸。「鋼鐵煉製廢渣―轉爐石之高值化應用與機會」一文指出,由於轉爐石其具有浸水膨脹特性,在膨脹之後其強度會大幅降低甚至造成破裂,現有轉爐石之安定化處理常有內層安定不完全問題,當使用時間長或連日大雨後就容易發生膨脹,常造成路面破裂等現象,因此無法應用於混凝土骨材,目前只能部分添加在道路鋪面來被動性去化。若將轉爐石在高溫進行成分添加改質,除了可解決膨脹性問題也能附加其功能性,如高強度粒料、色度控制顏料與光觸媒等,改質轉爐石將有機會應用在高價值建材等產業。
 
全球因資源再生和環境保護意識提高,加上廢棄電路板數量逐年快速增加,回收廢電路板受到廣泛關注,廢棄電路板回收再利用技術隨之受到相當重視。現今對於非金屬電路板廢棄物(樹脂、無機物)尚未開發出有效的循環技術,通常只能透過掩埋和焚燒來處理,會產生環境汙染和資源損耗的問題。「PCB材料循環再利用技術」一文針對目前台灣電路板回收再利用技術進行評估和分析,並介紹工研院材化所開發的非金屬廢棄電路板樹脂回收循環再利用技術。在歐盟循環經濟政策中,2030年時廢棄電子產品需能做到原物料再回收率>70%,未來全球電路板大廠勢必得投入相關非金屬材料回收技術開發。
 
台灣為全球半導體與顯示器等高科技產業之研發與製造的重鎮,在這些高科技廠中會大量使用氫氟酸。氫氟酸廢液最後進入廢水處理系統,主要以化學混凝產生氟化鈣污泥,去除氟離子以達排放水標準;然而其水含量高、利用價值低,目前多以委託污泥清運處理。近年來循環經濟概念意識上升,如何將高科技產業含氟廢水再生資源化利用,已為不可忽略之重要議題。「高科技產業含氟廢水與廢棄物循環應用」針對近年來高科技廠含氟廢水處理技術與再利用發展簡述說明,並分析國內相關應用的可行性。
 
再生能源政策推動下的未來資源―鋰電池與太陽光電模組資源循環技術」一文指出,綠能科技產業為政府推動重要產業之一,為達成非核家園目標,政策規劃於2025年提升再生能源發電占比達20%,其中太陽光電累積裝置容量目標為20 GW。但對於報廢的太陽能模組,台灣及全球目前尚無較符合循環經濟理念的回收技術,而全球太陽光電的安裝量則是以100 GW/年的速度快速累積中。另外,儲能產業中鋰電池的使用是未來的趨勢,台灣鋰電池使用量逐年攀升,鋰電池中使用了稀貴金屬鋰與鈷,這些原料在台灣並沒有生產,甚至從廢鋰電池中回收鋰與鈷來作資源再利用也尚仍無法達成,是台灣值得投資的技術。
 
再生能源系統的最佳搭檔-鋰電池儲能系統
台灣預計在2025年前將裝置大量再生能源(太陽能光電及風力發電),而再生能源為瞬變性,需要儲能系統來提升電網的穩定度。由於大量太陽能光電電力饋入電網,會造成局部電網電壓或頻率的變動,需要電網型儲能系統來讓電網出力平滑化,提高電力使用穩定度。電池在儲能系統使用,具有快速回應能力讓電網電力電壓與頻率輸出穩定,因此需要長壽命/快速充放電(高功率)儲能電池來搭配。另外,在住宅用、企業用小型儲能系統可減少電網尖峰的供電量,當離峰時再回存於儲能系統,減低電網的負擔。本期「鋰電池儲能系統」技術專題主要探討鋰電池儲能系統,藉由新世代鋰電池儲能系統、元件技術與材料研發,以解決再生能源應用的瞬變性問題,建構國內完整之鋰電池儲能系統的上/中/下游產業鏈,促成鋰電池儲能系統的新商機。
 
低碳能源轉型已成為全球能源發展方向,隨著再生能源裝置量與滲透率提升,間歇性的再生能源(如太陽光電、風力發電)對電網衝擊風險提高。為解決再生能源造成電網衝擊,儲能系統為可能解決的手段之一。「再生能源用儲能系統趨勢」介紹全球再生能源與儲能整合運用模式,包括頻率調節、再生能源平滑化、電能時間移轉三種,期望透過探討國際再生能源用儲能應用現況,分析發展趨勢與前景供我國參考借鏡。
 
鋰二次電池充電時,鋰離子由正極流向負極,所以能否快速充電,端賴負極材料可否快速嵌入鋰離子。傳統鋰電池使用石墨作為負極,石墨平均工作電位約0.1 V,相當接近鋰還原電位,在大電流充電時鋰金屬容易還原於石墨表面而生成鋰枝晶,導致正負極短路而發生安全性問題。而鈦酸鋰(LTO)、鈮酸鈦(TNO)等鈦基負極因具有較優的安全性、循環壽命及快充性能,可有效提升鋰電池性能與安全性。至今鋰電池BESS仍有安全性問題,在韓國與美國皆發生過事故,採用鈦基負極材料以取代石墨負極,相信能減少相關的安全性事故。「新型鈦基儲能電池負極材料」一文除簡介鋰電池儲能系統及市場,並介紹Li4Ti5O12、Ti2Nb10O29、TiNb2O7及其電池,並蒐羅TNO的專利申請情形。
 
近年來,電池儲能已廣泛應用於儲能系統,儲能電池的重要規格之一便是具有長的使用壽命。「長壽命儲能鋰電池」探討影響儲能用鋰電池使用壽命的因素,並提出如何提升電池使用壽命的方法,除可從電池設計及應用設計兩方面著手外,電池模組散熱及安全的設計也是影響儲能系統使用壽命重要的參數之一。另外,文中也針對在調頻(FR)及削峰填谷(PS)的儲能使用情境及電動車結合電網(V2G)的情境中,探討兩種材料系統之鋰電池壽命表現的差異。目前各國已有研究單位針對儲能電池系統的成本最適化開發出相關的軟體,考量各電池性能的表現、價格、運作模式參數等各方面資訊,設計出最適成本的儲能電池系統。電池技術的進步及價格的降低,將能大大推廣鋰電池在儲能系統的應用。
 
在儲能電池系統中,因各類應用的電量需求不同,故電池系統設計須具備容量的擴充性,且為符合功能安全規範要求之安全性與可靠度,須具備冗餘性設計,因此有越來越多的儲能電池系統以多個支路並聯的系統架構取代傳統的單支路架構,而電池組並聯控制策略的好壞決定了電池系統整體的安全性與可靠度。「儲能用鋰電池模組與系統並聯設計簡介」說明目前市售儲能系統的並聯架構種類與優缺點,並提出具備安全離線、自動並聯復歸的控制邏輯,結合電池管理系統(BMS)的開關控制,來解決現有並聯方式的缺點。最後,將上述提出的新穎並聯控制方法藉由48 V/3 Ah的實驗型支路電池系統完成可行性評估與驗證,未來將進一步針對48 V/2~10 kWh的儲能系統進行實測驗證。
 
綠能產業續發光 太陽光電技術特別報導
本期特別報導推出「太陽光電技術」主題,由工研院綠能所太陽光電技術組與讀者分享太陽光電產業技術發展近況。
 
矽晶電池在產業上已有舉足輕重之地位,將會是不易被取代的主流產品。自背接觸電池的概念被提出以來,由於其結構特性帶來的許多優點,而成為太陽能領域的熱門研究項目。在「背接觸矽晶太陽能電池之概述與展望」一文中,回顧並比較三種常見的背接觸矽晶太陽能電池的基本操作原理與關鍵特性,分別有交趾式背接觸太陽能電池、射極貫穿背接觸太陽能電池以及金屬貫穿背接觸太陽能電池。文章的後半部分則著墨於討論高效率低成本之網印型背接觸太陽能電池的實踐方法與其未來展望,其SP-IBC電池研究成功地證明了現行的主流PERC技術可以用來製造高效率n-IBC電池,這使得大面積的低成本高效率IBC電池不再只是空談,而是具有商業化的可能性。
 
矽基太陽能電池為目前市場主流,相關研究單位也投注了相當多的研究,期望有更高的光電轉換效率,達到更好的性價比。為了提高光伏元件的光電轉換效率,必須要降低光吸收介質的光電子復合率。「電荷引發電場鈍化應用於太陽能電池」一文著重於改良背表面鈍化太陽能電池結構(PERC),並藉由電性模擬與可靠度分析引入適當的電荷儲存層,以電場控制使光電流能有效被汲取再利用,實現高光電轉換效率之太陽能電池。使用電荷儲存的方式是一種嶄新且能有效提升PERC太陽能電池效率的方法,該儲存技術不僅在其他領域已發展相當成熟,更能匹配目前PERC太陽能電池的製程,在不需額外增加太多成本的情況下,就能將效率提升。相信該技術成熟後,能使PERC太陽能電池邁向一個新的里程碑,並為潔淨且環保的綠色能源注入嶄新的希望。
 
在臺灣,裝配於屋頂或地面的太陽光電系統棚架型支撐架,在面對颱風與地震兩大天然嚴峻考驗時,支撐架能否承受強大風壓及地震力,並讓太陽能模組穩定地鎖固於支撐架上,使光電系統發揮功能,是需要被關注的結構工程議題。鋁合金構材具有質輕且耐腐蝕的優點,為適合用於沿海地區的支撐架,而有別於鋼結構的接合方式,鋁合金支撐架大多採用特殊接合型式,「太陽光電系統鋁合金棚架型支撐架結構分析與設計」針對鋁合金棚架型支撐架的結構分析與設計方法進行研究與探討,亦呼籲相關單位建立更完善的結構設計與施工的查核機制,來為PV系統的結構安全進行更嚴格的把關。
 
主題專欄
構裝技術已從早期的輕薄化與低成本之晶圓級晶粒尺寸封裝(WLCSP),轉向大面積化、高密度、多晶片封裝整合之扇出型晶圓級封裝技術(FOWLP/PLP)。目前台灣半導體產業供應鏈上游的關鍵材料與後端的封裝材料,其相關技術專利仍掌控於美、日等大廠手中,國內材料廠商需竭盡全力提升自我研發能力,期能有效掌控核心技術與專利。構裝散熱專欄「大面積模封材料技術與發展」一文接續上期,說明半導體構裝技術演進與市場趨勢、材料技術發展與特性需求,並介紹工研院材化所針對大面積模封材料技術開發研究與相關光電構裝驗證平台之能量建置。
 
能源儲能專欄發表「染料敏化電池自動化生產技術及室內發電應用」。針對室內光源發電應用情境,染料敏化電池展現優越的光電轉換效率以及規格可客製化之優勢。不久的將來,無線型電子裝置具有爆發性成長的潛力,染料敏化電池整合此類型裝置,達成永續自供電功效,會是值得期待的能源解決方案。目前,台塑與工研院已經共同完成建置第一條全國產化的試量產線,提供各種規格電池模組進行應用推廣,結合節能智慧電動窗簾應用是其中一個成功案例。
 
國際標準IEC 62619已規範儲能系統鋰電池的基本安全要求與試驗方法,其不僅適用於定置型儲能電池安全測試,電動車電芯安全標準IEC 62660-3的內部短路試驗亦將其列為模組、電池系統等電芯等級以上的替代方法,而電動車電池系統安全標準ISO 12405-3也將延燒試驗列入修訂考量。從上述標準演進趨勢可知,延燒試驗未來勢必成為電池製造商必須面臨的重要課題。技術發表會「儲能系統鋰電池延燒試驗與解決對策」一文介紹如何藉由材料與結構技術設計來達到IEC 62619延燒試驗的安全要求。工研院材化所近年來陸續擴充包括延燒試驗在內的儲能電池測試能量,期盼藉由鋰電池研發與驗證技術的結合,為儲能產業發展貢獻一己之力。
 
呼應本期循環經濟主題,材料補給站「從PCB到植物工廠再到循環經濟 欣興電子的綠色實驗」一文,專訪PCB大廠欣興電子植物科技事業處廖本衛總經理,談該公司在電子的本業之外,如何展開了自己的新實驗,由植物工廠伊始,探索多角化經營的可能性,更以不同產業的層層串連,打造出循環經濟迴圈,新事業所強調「健康、環保、安全」的消費理念,透過這樣的故事,傳遞出強而有力的訊息。
 
熱門專利組合本月推出工研院材化所三類八項優質專利組合。「太陽能電池專利組合」精選矽基太陽能技術、薄膜太陽能電池技術、太陽能電池抗反射層技術;「環保節能發光裝置專利組合」包括高效率LED散熱及背光技術、準分子紫外光燈源技術、環保高產率之臭氧裝置;「環保節能材料技術專利組合」推出紅外光阻隔多層膜技術、隔熱材料技術。材化所技術豐富多元,歡迎業界與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。
 
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