長壽命儲能鋰電池：材料世界網

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。本文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。另外，也針對在調頻及削峰填谷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。

本文將從以下大綱，從鋰電池技術觀點出發，探討影響鋰電池壽命的因素。

‧前言

‧鋰電池老化

　1. 休息老化(Rest Aging)

　2. 使用老化(Usage Aging)

　3. 充電老化(Charge Aging)

‧鋰電池壽命影響因素

‧電池設計對壽命的影響

　1. 正負極材料系統

　2. 電解液配方

‧儲能電池應用壽命分析

‧結論

【內文精選】

前言

因應能源危機及日益嚴重的地球暖化問題，各國政府皆訂定減排目標；同時在全球各地興起能源轉型風潮，如推動電動化交通工具及提升再生能源發電配比。因著再生能源發電的間歇及不確定性，需有儲能電池來維持電力提供的穩定性。常用的儲能電池技術可分為液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池、超電容、鋰電池及飛輪電池等，如圖一所示。各種儲能電池技術各有其優缺點及適用範圍，但從能量密度、能源效率、壽命及環境友善度等觀點來看，鋰電池皆具有領先地位（圖二）。從2016年起，鋰電池在所有儲能電池市場中已占有6成以上比重，且逐年增加中，2019年可達9成以上的比重。

圖二、各種儲能電池技術比較

鋰電池老化

探討鋰電池的老化機制可從電池不同運作模式來著手。鋰電池的運作模式可分為休息、使用及充電三種模式，電池使用條件及環境對不同模式壽命的影響探討如下。

1. 休息老化(Rest Aging)

鋰電池在儲存（休息）狀態下也會有老化情形發生，針對電池在儲存狀態下的壽命通稱為日曆壽命(Calendar Life)。一般鋰電池是採用碳材作負極，充電時鋰嵌入碳材結構中形成鋰碳合金，由於其活性高（接近鋰金屬活性）會與電解液反應而在表面生成鈍化膜(SEI)，鈍化膜會隨著時間增加而逐漸增厚，同時消耗電池中可用的鋰離子數目而使電池容量衰退。當電池存放溫度越高，鈍化膜成長速率越快，容量衰退速率也越大。圖三是在不同飽電狀態(SOC)下的NCA/C電池，在10˚C、25˚C及40˚C環境下，存放18月後電池容量衰退的情形。從圖中可知，電池存放之SOC越高，容量衰退越嚴重；另外存放溫度越高，電池容量衰退也越快。電池休息狀態下電容量老化速率與SOC及溫度的關係可用Arrhenius方程式來說明，其關係式如式(1) 所示。

儲能電池應用壽命分析

鋰電池應用於儲能系統時，因著各儲能系統特性不同，對鋰電池性能的需求也不盡相同，藉由導入各儲能系統應用情境之充放電頻譜，可更清楚電池在不同儲能系統應用情境的適用性。D. Choi等人研究高能量NCA (3.2 Ah 18650)及高功率LFP (3.2 Ah 26650)電池在調頻(FR)及削峰填谷(PS)儲能應用及電動車結合電網(V2G)應用情境下之壽命表現的差異。實驗中考量兩款電池在三種不同儲能應用情境（調頻(FR)、電動車－調頻(EVFR)、電動車－削峰填谷(EVPS)）下有無負載(Service)電池的性能衰退差異，因應不同應用情境需求，電池基準(Baseline) SOC也有所不同（FRBS: 35%、EVFRBS: 60%、EVPSBS: 80%）。在FR使用情境中，電池初始SOC為50%，之後根據調頻運作頻譜（包含一般操作及嚴苛操作循環）進行快速調頻之儲能應用，為分析電池運作(Service)與儲存(Baseline)所造成的容量衰退差異，同時進行基準儲存老化實驗(BS)。而為研究V2G使用情境，先將電池經過電動車之充放電圖譜(Drive Pattern)運作，再進行FR或PS的儲能使用情境。各使用情境下電池的SOC、I、V變化關係如圖十一所示。

分析兩款電池在不同儲能應用情境下電池容量衰退率的差異（圖十二），在休息狀態下NCA電池比LFP電池有較高的…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。