碳浪潮來了！儲能電池之展望與課題
日本市調機構富士經濟發表儲能系統(ESS)與定置式電力儲存系統相關之蓄電池市場調查結果，預估2035年全球市場規模將達到5兆4,418億日圓，容量則擴大至255.2 GWh，與2021年相比分別增加了3.8、4.7倍。為實現碳中和，2022年電網設施、太陽能發電廠、風力發電廠等併設用途的市場規
模估計超過1兆日圓。尤其是電網設施方面，美國多個州已制定導入電網儲能系統的目標，推動大規模儲能系統的設置，相關動向將持續帶動市場成長。從電池類型來看，鋰離子電池的占比較高，目前為止，短週期(約1~2小時)的導入持續推進，但隨著價格下降，長週期(約10~12小時)的導入亦將逐漸擴大。另有液流電池、鈉硫電池、固態電池、鉛蓄電池等受到採用，其中液流電池、鈉硫電池主要應用於長週期的大型系統。在大規模儲能電池建置前提下，安全方面尤為重要，最近三年全球有多起二次電池儲能系統火災事故，因此電池儲能系統之安全性需特別注意與解決，才能建立安全與長久之儲電產業。
鈦酸鋰(LTO)儲能電池具有高安全性與超長壽命、快速充放電、廣泛的操作及保存溫度等特點。鈦酸鋰作為負極材料為鋰離子提供穩定的結構環境，相對於其他鋰電池擁有更高的安全性，非常適合用於需長壽命、高速充放電之領域，如電動巴士、儲能系統、48 V輕混動電池。LTO電池充放電倍率優異，快速充電或高功率的應用如充電樁、UPS也相當適合。「高安全性鈦酸鋰(LTO)電池於儲能技術之應用」一文報導，格斯科技採用中油綠能研究所之鈦酸鋰原料製造電芯，並根據客戶的需求，開發不同的模組供各種應用。針對市電用電大戶的削峰填谷、需量反應和許多其他需要可靠及高效儲能的領域，隨著技術的不斷發展，LTO儲能電池有望在未來繼續成為重要的儲能解決方案之一。
各國推行節能減碳之政策，提高儲能效率為首要目標。鋰離子電池因具高理論容量，被視為儲能之星。但傳統式液態電解質具可燃性，使安全性不受保障，故具阻燃性之無機固態電解質成為電池之研究焦點之一。其中，氧化物型固態電解質乃目前常見之固態電解質之一。鈉超離子導體型固態電解質，因其空氣穩定性佳而具應用潛力；石榴石型固態電解質因其卓越之離子導電率與高熱穩定性，亦具潛在之應用價值。氧化物型固態電解質雖具許多優點，仍因與鋰金屬具備鋰枝晶、界面副反應等問題難以實際應用。「以專利與論文地圖建立全固態鋰離子電池 界面改質技術」首先根據專利與論文搜索之結果，介紹有關組裝固態電解質之鋰金屬電池先前的研究與發表，研究團隊並採用界面修飾之方法抑制界面副反應，以提高固態電池之循環壽命。
釩液流電池因壽命長、能深度放電、安全性高、元件設計靈活且可大規模儲能等優點，在作為與再生能源搭配的儲能系統方面具有極大優勢與前景。然而其中電極所使用碳基材料有表面疏水和電化學活性差等缺點，透過適當的改質能提高表面親水性、增強電極反應活性並提高能量轉換效率。「釩液流電池及其關鍵材料開發」說明電池組系統中電極的碳基材料改質方式，分別介紹了熱處理法、觸媒附著法。另一方面，釩電解液作為釩液流電池的能量載體，然而國內無釩礦可進行開採，釩電解液主要由含釩廢棄物提製，為了降低對國外電解液的依賴，以煉油廠為例，煉油廠每年約卸載數千噸廢重油加氫脫硫觸媒，廢觸媒約含有10%左右的五氧化二釩，可經由碳酸鈉或其他鹽類進行高溫焙燒後將釩浸出，作為釩電解液的製備原料。
經濟部訂定2025年台灣再生能源發電占比20%的政策目標，預計再生能源裝置容量需達到29 GW(百萬瓩)。除了再生能源技術的應用與發展，大規模儲能裝置建設的市場需求也逐漸提升。目前鋰離子儲能技術成熟完善，但原物料價格因礦藏分布不均而高昂且易受市場波動，安全性也備受爭議。與之相比，鈉離子電池具有相近的電化學性質、原物料豐富且成本低廉(鈉可從海水提煉)、環境穩定性高(工作溫度-20˚C到80˚C)，足以彌補鋰離子電池能量密度不足的缺點，使其在大規模儲能裝置上也具有龐大的市場潛力。其中正極材料的開發為提高鈉離子電池能量密度的關鍵，「鈉離子電池正極材料之介紹與研究發展現況」將介紹主流鈉離子正極材料之種類並探討其研究發展現況。
在綠色能源興起及車輛電動化日漸普及的當下，作為電動車輛、船舶、無人機的儲能方案，以及用於配合充電站及再生能源發電廠的儲能選項，鋰離子電池大量被採用。然而，近年來國內外已發生多起鋰電池相關的重大安全事故，引發社會大眾及政府有關單位對於鋰電池安全議題的關注。在鋰電池能量及功率密度水準持續提升的同時，如何改善鋰電池的安全性並且正確地評估其安全風險，落實安全認證制度並且和國際標準接軌、與時俱進，更是當前政府大力推動能源轉型過程中不可輕忽的一項重要工作。「儲能鋰電池安全」從鋰離子電池之材料組成至模組、系統各層面分析探討鋰電池的安全性問題，由微觀至巨觀剖析熱失控的成因，並彙整國際上現行有關鋰電池的安全驗證標準及法規，期能協助國內產業界及政府主管機關對於儲能鋰電池的安全性進行正確的風險評估及管理。
傳統鋰離子電池之能量密度已難突破(~350 Wh/kg)，唯有創新的電池設計始能突破電池能量密度，並兼顧安全性。鋰金屬負極具極高理論克電容量(3,860 mAh/g)以及低氧化還原電位，被視為突破電池能量密度的絕佳選項，然而其安全性堪慮且鋰金屬價格昂貴，不符應用市場需求。無負極鋰金屬電池以高克電容量之正極搭配負極集電基材，有望成為兼顧電池性能、成本以及安全性之儲電裝置。「無負極鋰金屬電池之研究開發」整理近期發表之無負極電池設計相關研究，討論電解液配方、銅基材表面之親鋰處理以及電池操作之外部壓力條件對電池性能之影響，藉以了解無負極鋰金屬電池的技術挑戰及發展前景。
節能減碳之智能化水處理與雲端監控技術
智能化水處理與雲端監控技術的產業化應用中，連續自動監測的感測元件、感測器及數據分析技術扮演著非常重要的角色。近年來，環保署與工研院合作的研發團隊積極投入水質感測器、即時監測技術、資料傳輸系統及高效數據分析系統的開發與應用，充分展現團隊於水質監測及即時決策控制上的技術優勢，同時填補智能化與雲端監控應用的技術缺口。將物聯網(IoT)技術加上人工智慧(AI)，所形成的人工智慧物聯網(Artificial Intelligence of Things; AIoT)，有效結合物聯網平台技術和大數據分析，實現水質監測的即時性、準確性和可持續性，涵蓋即時水質檢測、系統風險預警與精準參數控制，大幅降低異常排放風險，使放流水質更穩定，符合未來產業發展趨勢。
隨著人工智慧與機器學習科技持續發展，大眾的生活習慣、工作模式與社會的商業行為也受到影響與變革。將智能化及智慧化引入水資源AIoT管理系統，由於管理上從穩態操控模式轉變為動態操控模式，易凸顯日常不易察覺或潛在性的問題，而造成管理者之憂心，但驗證結果顯示，智能化及智慧化不僅有效提升水質處理及操控成效與節能效益，往往也利於察覺系統上的成效限制因子，藉由優化過程，逐步消弭此等成效限制因子。「水資源AIoT管理平台的發展與應用」闡述基士德集團於發展水資源AIoT管理平台及其延伸之污(廢)水管理系統AIoT管理平台的歷程，更進一步說明藉由WaterOps智慧水務服務平台產生的A2O生物處理程序智能化控制/智慧型操作模組，部署至國內某科技園區水資源處理場，大幅提升水質處理成效及節能效益的成果。
「電鍍業工廠廢水排放監測與溯源分析」一文之研究，係以彰濱工業區二期金屬表面處理專區所設置之酸鹼系廢水排放管為監測對象，藉由連續監測設備，分別從水量、水質方面分析，了解各工廠廢水排放特徵。首先，因週期性作業流程及休假日，可由計量分析掌握不同作業型態特徵，並針對其異常排放量之時間點進一步分析；同時以Facebook Prophet進行廢水排放量預測，結果顯示其具有良好預測能力。其次，各工廠依不同製程、電鍍液所產生之廢水均有不同特性，彙整連續監測水質參數，以非監督式學習(Auto-encoder)進行污染溯源，利用非線性方式提取特徵後，再依照不同來源分類做為廢水污染溯源基礎；結果顯示可依據監測參數將各來源進行分類，研判可能的污染來源。
印刷電路板(PCB)廠製程步驟複雜，導致後端廢水含有許多有機物，造成水質條件不穩定，因此廢水處理程序除了基本程序控制以外，仍須透過人力協助穩定水質條件，以利放流水合乎法規標準，增加相當程度操作管理成本支出。由於工業4.0概念興起，人工智慧物聯網(AIoT)架構開始引入工廠相關系統，提升管理與生產效率。「PCB廠含銅廢水程序智能加藥系統」針對欣興電子PCB廠化學混凝廢水處理程序設計智能處理模廠，並開發智能混凝加藥系統。該研究以欣興電子PCB廠化學混凝程序作為研究對象，設計AIoT實驗模廠，並建立智能混凝加藥系統，提出處理程序優化方案，進一步於現場驗證人工智慧模型效能，加強模型現場泛性。研究成果顯示，AIoT智能控制能達到現場水質之穩定控制與精準控制，間接節省系統成本支出。
水環境治理作為生態環境治理的首要任務，是我國環境保護的重中之重。然而，現行的水環境監測方式主要依賴現場採樣後送至標準實驗室進行分析，雖然可以獲得高準確度的數據，但卻面臨著人力消耗大、耗時長且缺乏自動化的問題，限制了其推廣應用的範圍。有鑑於傳統水質監測方法無法取得有效且連續的監測數據，在民眾環保意識逐漸抬頭之際，為能提供快速且即時的環境數據分析服務，開發有利於連續自動監測的感測元件、感測器及數據分析平台為重要的一環。「水科技物聯網之發展與應用」分上下兩集，介紹環保署與工業技術研究院在過去幾年針對國產化水質感測器及水科技物聯網合作開發的成果，並針對流域管理與科技執法面的應用加以說明。期透過水科技物聯網的建立，落實應用於水質監測及管理，確實提升環境品質。
「從自動化到智能化―以AIoT促進水處理產業轉型」一文報導，智慧水務與Water 4.0代表著以工業4.0智能化核心技術策略為骨幹，連結線上傳感器採集的巨量即時資料，利用物聯網與智慧運算技術，形成一個符合工業4.0之虛實整合系統特性的水資源智慧水務管理網絡系統。水處理的數位化升級可在現有的軟體及硬體基礎上，外加智慧化的功能，自原有的SCADA系統中擷取數據，進一步以機器學習與演算模型輸出的最適操作參數，達到即時控制的目的。在生物處理流程上可經由進階邏輯控制、AI演算、學理計算或整合的方式，針對曝氣量、硝化液迴流、污泥迴流、廢棄污泥、加藥系統等進行智能化操作，以達到最佳化處理效能，並減少能耗。另用於出流水質預測與預警、混凝沉澱加藥控制，可以穩定出水水質、降低操作成本。
主題專欄
我國半導體構裝產業鏈完整，先進半導體構裝技術亦居全球領導地位，唯獨欠缺高信賴性的自主封裝材料，近幾年來所使用的材料大多數都仍以日、美及少數韓系廠商供應為主。「大晶粒覆晶構裝材料驗證技術」介紹目前工研院材料與化工研究所建置的高密度覆晶構裝材料驗證平台技術，配合構裝廠所需的驗證條件，建立封裝材料驗證流程與評估方法，包括進行底部填充膠的材料特性分析、封裝製程評估、高密度覆晶構裝元件驗證、信賴性測試與失效分析等，在新材料導入構裝製程前先進行α-site的驗證評估，可縮短材料導入驗證期的時間，提升量產之加工性、可靠度，增加廠商競爭力，完整國內半導體構裝產業材料供應鏈。
淨零排放已成為國際發展趨勢，許多國家、企業等單位皆紛紛祭出相關規範及淨零目標規劃，更甚者影響供應鏈選擇。「淨零排放趨勢下食品工業之因應策略」一文報導，在食品工業，其產出廢棄物主要為有機物，目前多以堆肥化處理。但堆肥化產生溫室氣體較難以回收再利用，若透過厭氧醱酵技術將食品工業有機廢棄物資源化，並將厭氧醱酵過程中產生的沼氣進行熱電應用，預估處理每噸有機廢棄物(乾基)可較堆肥化處理減少862.35~1,180.95 kg-CO2e；若制定相關計畫，並透過第三方機構確證、查證及核發單位申請，便可取得減碳額度進行交易或應用，因此厭氧醱酵技術可作為食品工業因應淨零排放策略之一。
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