新技術不勝枚舉,未來鋰電池儲能龍頭地位不保?

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 03 日 9:15 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly

通常一提到儲能系統,第一個想到的可能都會是鋰離子電池,畢竟鋰電池應用範圍相當廣,小至智慧型手機大至電動車都可見,但隨著科技進步、越來越多兼具低成本與環保的儲能技術浮出水面,未來鋰離子電池是否還能坐穩儲能技術龍頭?



由於鋰離子電池壽命和能量密度都遠勝於鉛酸電池,鋰電池一直以來都是炙手可熱的儲能技術首選,但鋰離子電池的成本在 2017 年上升 240%,廠商漸漸開始面臨供應鏈、資源短缺、成本上揚的挑戰,因此不少科學家正尋找低成本又有效的低碳電池技術。

只是這些技術是否能成功達到商業化,規模又是否能跟鋰離子電池相競爭,這些都還有待觀察。

低成本與多功能氨氣儲能

有別於其他國家與廠商看好氫燃料,德國工業巨擘西門子對氨氣儲能寄予厚望,該公司近期與 Innovate UK 斥資 150 萬英鎊在英國牛津哈威爾展開世界首個氨儲能先導計畫,專案包括風力發電機組、氮氣產生器、電解水系統、30KW 發電機與製造氨氣的哈伯法反應爐。

該示範廠目標是將電力、水和空氣無碳轉化為氨氣,將氨氣儲存在儲罐後,就可以用來燃燒發電、當作車用燃料出售,或是用於工業製冷。

氨氣目前已實現工業規模生產、儲存和運輸,是個人們相當熟悉且低成本的化合物,它也同時是個多功能燃料,如果想將氨氣用於燃料電池,也可以將氨氣轉換為氫氣,用來發展氫氣經濟與氫燃料車。

該技術成本效益相當高,西門子表示,對於許多人來說,目標都是能夠找到成本、儲存容量跟壽命都可與鋰電池相較的技術。

原材料豐富的鈉離子電池

由於地球上鈉含量比鋰礦豐富,且鈉離子與鋰離子具有相似的運作模式,現在也有不少研究員關注鈉離子電池,並認為該電池未來可比鋰離子電池更加便宜有效、安全疑慮更低。

像是法國國家科學研究中心(CNRS)、美國華盛頓州立大學(WSU)和史丹佛大學都在開發鈉基電池,2017 年史丹佛大學團隊開發了一種新型鈉離子電池,可以儲存和目前市場上最先進鋰離子電池一樣多的容量,但成本僅不到鋰離子電池的 80%。

不過鈉基電池也並非完美無缺,鈉離子比鋰離子重 3 倍,離子在電極之間的移動速度會變慢,導致能量密度尚不高。目前該電池還需要進一步最佳化,才能突破穩定性與能量密度低挑戰。

低壓儲存的液態空氣儲能

液態空氣(Liquid air)儲能設備也被稱為低溫儲能,是個不受到地點限制的技術。由於空氣液化點在攝氏零下 183 左右,該系統首先會將空氣低溫液化、在低壓狀態下儲存,需要用電時將液體空氣被抽到高壓狀態,再加熱至氣態,之後就可以驅動發電機或是渦輪機。

英國 Highview Power 公司與廢棄物回收管理公司 Viridor 公司在 2016 年也獲得英國能源部提供的 800 萬英鎊研究經費,近期成功更在曼徹斯特打造世界第一座液態空氣儲能工廠 Viridor Pilsworth。

該工廠將空氣溫度降至攝氏零下 196 度,把空氣轉變為液態並儲存在絕緣容器中,要用電時再從容器中抽出液態空氣,加熱後壓力升高便可驅動渦輪機發電,且該技術還可以回收再利用本身運轉產生的廢熱或是廢冷,進一步提高發電效率。

Viridor Pilsworth 液態空氣儲能工廠容量可儲存 15MWh 電力,足夠為 5,000 戶家庭提供連續 3 個小時電力。Highview Power 指出,液態空氣儲能工廠除了可運轉 40 年,還可以任意選擇安裝地點,能夠有效與再生能源相輔相成。

液體也可以儲存大量電力

除了用電化學與空氣來儲存電力,水、液體也可以用來儲能與發電。近年來液流電池也是眾所矚目的研究焦點之一,美國史丹佛大學與哈佛大學在液流電池研究都有所進展,並都認為該電池可為再生能源儲能系統盡一分心力。

▲ 典型液流電池運作示意圖。(來源:By Nick B. [CC BY-SA 3.0 ], from Wikimedia Commons

該系統運作模式是將電子儲存在外部兩側的液態電解質槽,充放電時電解質會被幫補到中間的發電室,而發電室也會以薄膜隔開兩種溶液、形成兩個電極,最後產生離子交換來發電。且由於電池兩側電解質是分開存放,相互滲漏與自身放電的機率都很低,因此安全性高、能量也可以長久儲存,非常適合製作成大型儲能系統。

荷蘭 AquaBattery 公司也有發展出一款基於鹽與水的液流電池,透過滲透技術來進行離子交換並可存放電力,該公司的「藍色電池(Blue Battery)」具有永續發展優點,可在發電尖峰時段利用無毒材料來儲能,近日也正如火如荼打造二代系統。

打造真正「綠色」的技術

未來的儲能技術標準將會越來越高,除了要滿足壽命、電池容量與成本,也得考量到電池是否會造成污染、是否能回收再利用等問題。

就好比鋰離子電池,雖然大部分國家都有電池回收機制,但是這並不包含鋰離子電池,相關法律與機制的不足使鋰離子電池常常沒有被妥善回收,最終都直接丟入垃圾填埋場或焚化爐,比利時科技公司 Umicore 指出,市場上只有 5% 鋰離子電池被妥善回收。

但鋰離子電池其中的鈷、鋁跟銅都可以再次利用,不好好回收實在是有點可惜,且隨意丟棄鋰電池也對環境不好,未回收電池與其中的電解質將會產生毒氣體外洩、水污染等大量環境污染。

因此研究員除了得努力尋找低成本鋰電池替代品,還必須確保新儲能系統的回收方式,以免之後造成另一波環境災難。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:Flickr/Ian Muttoo CC BY 2.0)

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