在展場相關的大型儲能電池詢價的過程中,可以發現整體單價的落差相當大。因此,可預期在未來大型儲能於建置的過程中。將會是複合式的電池組合。
目前說來,瞬間沖放電的效率,超級電容還是首選,但近台幣千萬的單價。可能會使得在單一再生能源發電裝置中,僅會搭載一個超級電容模組。另外,最近極具話題性的三元正極材料的車用鋰電池,在其高效率表現下,也有可能應用於“啟動瞬間”的需求。
最後,在“恒時儲能”的方面,在設置的限制、要求以及電池的能量表現,不若車用鋰電池苛刻。目前,可以發現,廠商傾向使用較便宜的電池種類,例如鉛酸電池、鎳氫電池等等。而鋰鐵電池,則希冀在車用鋰電池帶動的規模經濟下,可將單價壓低,以應用于大型儲能。
當義大利生理學家Galvani在1791年將蛙腿通上電的那一剎那,電池的概念正式產生,到了1800年,伏特利用鋅板和銅板做出第1顆能提供穩定電流的電池,也開啟人類的電池紀元,往後的200多年,電池業界歷經鉛酸、鎳鎘、鎳氫等電池產業的發展,1990年代以後因高能量密度而特別適合輕薄短小電子產品的鋰鈷電池問世,才讓全球3C產業的anytime, anywhere願景得以實現。
現在3C產業常提到的鋰電池,其實就是鋰鈷電池,廣義的鋰電池是指鋰離子電池,還包括鋰錳、鋰鎳和磷酸鋰鐵等,這些電池都是以正極材料來定義,不管哪種電池的負極材料都是碳。
鋰電池產業發展20多年來,其實一直集中在3C產業為主,但卻未能應用在市場經濟規模更大的儲能和動力電池(瞬間需要較大電流)等市場,這其中包括純電動車、油電混合車、中大型UPS、太陽能用中、大型儲能電池、電動手工具、電動摩托車、電動自行車、航太設備與飛機用電池等領域。
主要原因之一是過去鋰電池採用的鋰鈷正極材料LiCoO2,即現在最常見的鋰電池),無法適用在大電流、高電壓、高扭力以及要耐受穿刺、衝撞和高溫、低溫等條件的特殊環境,更因無法滿足人們對安全的絕對要求而飽受詬病。
同時,鋰鈷電池也無法達到快速充電與完全避免2次污染等目的,而且,一定要設計保護電路以防止過充或過放電,否則就會出現如Sony電池爆炸導致全球品牌NB業者投下鉅資回收的情況。
這20年來,全球電化學界早已投入無數的研發人力與資源,不斷尋找能夠取代或解決LiCoO2問題的新材料,因為,據統計,全球動力與儲能電池市場的經濟規模總量每年高達500億美元,遠大於鋰鈷電池每年55~60億美元的胃納量。
這些年來,全球相關業者的主要發展集中在「LiNiO2」(鋰鎳電池)、「LiNi0.8Co0.2O2」(鋰鎳鈷電池)、「LiMn2O4」(鋰錳電池)、「LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2」(鋰鎳鈷錳電池)。
不過,對以中、大容量與中、高功率為主的動力和儲能電池來說,正極材料的成本、放電功率、高溫性能、安全性非常重要,上述材料並非皆能滿足這些要求。
鋰鎳電池的成本較低且電容量較高,不過,製作過程困難且材料性能的一致性和再現性差,最嚴重的是依然有安全性問題。
鋰鎳鈷電池是鋰鎳電池和鋰鈷電池的固溶體(綜合體),兼具鋰鎳和鋰鈷的優點,一度被產業界認為是最有可能取代鋰鈷電池的新正極材料,但是,鋰鎳鈷的循環壽命差、安全性還是無法有更大突破,再加上還是得使用價格高昂的鈷(全球鈷元素最大生產國剛果,戰亂紛擾多,是導致鈷元素價格不斷升高的原因)。
鋰錳電池的成本低且安全性比鋰鈷好很多,但循環壽命欠佳,且高溫環境的循環壽命更差,高溫時甚至會出現錳離子溶出的現象,高溫造成自放電嚴重,以致儲能特性差。
現在最受松下等日系電池大廠重視的鋰鎳鈷錳正極材料,結合了鋰鈷、鋰鎳和鋰錳的各自優點,成本和鋰鎳鈷相當,合成容易、結構穩定且安全性較好(介於鋰鎳鈷和鋰錳之間),但因為仍含較高比重的昂貴鈷元素,成本依舊較高。
這些電池的正極材料與衍生物正極材料尚不能「真正滿足」動力鋰電池的要求,「LiFePO4」(磷酸鋰鐵電池)遂成為現在全球動力電池市場的新追逐焦點。
磷酸鋰鐵同時擁有鋰鈷、鋰鎳和鋰錳的主要優點,但不含鈷等貴重元素,原料價格低且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富,完全沒有供料問題,而且,工作電壓適中(3.3V)、可以和一般穩壓電源媲美的高平穩電壓、充放電平台特性好、理論電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環壽命長,高溫與高熱穩定性遠優於其他正極材料,這些特性讓磷酸鋰鐵特別受到全球汽車和電動手工具大廠的重視,而且,儲能特性強,完全無毒,是真正的綠色材料。
最重要的是,磷酸鋰鐵的結構穩定且沒有安全性問題(以電化學的解釋是,O和P以「強共價鍵」牢固結合,使此正極材料的材料結構不易崩解),這便是全球汽車大廠咸認電動汽車產業即將大跨步發展的關鍵之一。
專利糾紛阻礙發展
磷酸鋰鐵的總成本、安全性和高溫性較其他正極材料都有更強優勢,因為,鋰鈷電池的粉體因鈷元素價格不斷上漲,現在已從原先的每公斤40美元漲價到50~60美元。磷酸鋰鐵粉體依品質好壞,每公斤售價在30~60美元。
不過,事實上,磷酸鋰鐵也並非「invincible 」(天下無敵),已成為跨國大戰的專利糾紛讓許多業者採取觀望立場,相關人才相對欠缺、大量生產不易且影響電池體積重量和電力的「實際堆積密度和電容量」皆低,是此正極材料過去幾年一直不能進入實際應用階段的主因。
鋰鈷電池最重要的強項就是高理論堆積密度和高體積振實密度,意思是可以在較小的體積中儲入較高電量,這也就是鋰鈷電池尤其適合講究輕薄短小的3C產品的主因。
鋰鈷正極材料在學理上的「理論密度」是5.1g/cm3,實際量產商品化後的「振實密度」為2.0~2.4h/cm3。磷酸鋰鐵的理論密度僅為3.6g/cm3,本身就比鋰鈷低許多,而為了提高導電性,正極材料的粉體製造商必須加入導電碳材料,更顯著降低降低材料的堆積密度,使得一般磷酸鋰鐵正極材料的振實密度只有1.0~1.2g/cm3。
因此,磷酸鋰鐵的「體積/容量」比率較鋰鈷低很多,製成的電池體積非常大,使得擁有各種優點的磷酸鋰鐵電池在過去始終無法大量商品化,所以,如何大幅提高堆積密度和體積比容量,遂成為各正極材料業者全力耕耘的方向。
以上文章希望對你有幫助
以上文章的心得就是鋰鐵電池的體積/容量比率.在較小的體積中儲入較高電量.如果正極材料添加太多的導電碳材料會降低降低材料的堆積密度.因此用途不同比率就應不同.但各家的廠商都在努力克服這個問題
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