鋰電池儲能系統

 

刊登日期:2021/9/5
  • 字級

廖世傑/工研院材化所
 
不論是傳統方式、風力或太陽能發電都需要儲電系統來達到增加效率、降低成本、調整電力品質、減少污染的目的。鋰電池儲能具有很好的環境適應性、回應快速、高功率和能量密度等特點,且近年受益於技術和規模驅動成本快速下降,因而目前全球電化學累計儲能裝機中鋰電池占比達90%。未來多元化儲能商業模式如:合同能源管理、租賃、共用、代理運營商等將有利產業發展。
 
【內文精選】
引 言
鋰離子電池(Li-ion Battery)自1990年問世以來,性能不斷進步,在過去二十餘年被廣泛使用於電腦、通訊及消費電子等產品,對人類社會產生莫大影響。近年來為減少人類對石化及煤碳燃料的依賴、降低汙染排放、減緩全球暖化問題,因此各種電動車輛、太陽能與風力再生能源成為世界各先進國家發展的重點。由於鋰離子電池正負極材料種類豐富,使得鋰電池能在不同使用情境下展現出優異的特性。以目前發展趨勢來看,鋰離子電池也已成為電動車及儲能應用所需大型儲電系統之主流。
 
鋰電池原理
鋰電池依「搖椅型」(Rocking Chair)的原理運作(圖三),亦即帶電鋰離子在正負極之間運動,實現電荷轉移,給外部電路供電或者從外部電源充電。充電過程中,外電壓載入在電池的兩極,鋰離子從正極材料中脫出,進入電解液中,同時產生多餘電子通過正極集流體,經外部電路向負極運動;鋰離子在電解液中穿過隔膜並經過負極表面的SEI膜嵌入到負極結構中,並與電子結合。電池結構在整個離子和電子的傳輸過程中,都將對快速充放電性能產生影響。
 
圖三、鋰二次電池充放電機制示意圖
圖三、鋰二次電池充放電機制示意圖
 
鋰電池正極
實際上,各種正極材料幾乎都可以用來製造高功率電池,主要需要的性能包括電導、鋰離子擴散、壽命、安全。當然,不同正極材料要解決的問題也有所差異。舉例而言,具橄欖石晶體結構之磷酸鐵鋰側重於解決電導及低溫方面的問題;而顆粒表面進行碳包覆、顆粒適度奈米化、顆粒表面改質而形成離子導體都是最為典型的策略。具層狀晶體結構之三元/二元材料本身電導已經比較好,但是其反應活性太高,因此三元/二元材料更多在注重安全性和抑制與電解液副反應的技術,例如表面進行奈米改質或是摻雜金屬元素,畢竟目前三元/二元材料的一大罩門就在於安全。近來的電池安全事故頻頻發生,也對安全方面提出了更高的要求。
 
除了可使用電解液安全添加劑,使電池在不正常升溫初期阻斷導電通路,避免熱暴走之外,目前已有幾家電池廠採用三元NMC混摻15~30%磷酸鋰錳鐵(LMFP)技術,可以在本質上降低正極材料和電解液之反應熱與反應性,有效提升三元電池安全性。
 
高安全/高功率充放電/長壽命鋰電池
應用石墨負極顆粒細化、表面披覆非晶質碳及混摻軟碳技術,三元體系的快充電池方面,目前已達成4C(15分鐘)從5%充電到85%電容量,能量密度190 Wh/kg,循環壽命超過2,500次。而快充型磷酸鐵鋰電池在保持高安全性、長壽命等優點基礎上,可進行3C~5C從20%至80%電容量的充電。至於目前最新的磷酸鋰錳鐵(LMFP)電池,能量型3.5 Ah等級的能量密度約為185 Wh/kg,大型20 Ah等級約220 Wh/kg;而快充型磷酸鋰錳鐵電池能量密度則是>165 Wh/kg,在3C充放電條件下,循環壽命超過4,000圈(容量保持率>80%)(圖十五)。
 
圖十五、工研院材化所開發之快充型磷酸鋰錳鐵(LMFP)電池循環壽命測試及電池DCIR阻抗變化
圖十五、工研院材化所開發之快充型磷酸鋰錳鐵(LMFP)電池循環壽命測試及電池DCIR阻抗變化
 
工研院材化所應用自行開發之TNO粉體研製2 Ah TNO快充電池,可以在9分鐘內(7C)充滿90%以上電容量,電池溫度升至50˚C(圖廿三)。電池3C快速充放電循環壽命測試6,000次電容量仍維持75%,同時電池DCIR阻抗僅增加20%。此外,工研院材化所也研製15 AhTNO電池,電池能量密度約145 Wh/kg,5C快速充電6,000次(100% SOC)循環後將保有74%電容量,TNO電池通過TAF實驗室的IEC 62619過充及SAE (J2464)針刺規範安全可靠性驗證…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖廿三、工研院材化所TNO電池快速充放電性能
圖廿三、工研院材化所TNO電池快速充放電性能
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》417期,更多資料請見下方附檔。

分享