【探索31-2】電池儲能與鋰離子電池的挑戰與技術發展

2024 年 07 月 29 日2024 年 07 月 30 日 CASE PRESS

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當我們在討論各項能源問題時，總會專注於討論發電效能如何、總發電量大小等，但往往忽略了背後一個也非常重要的領域——儲能。若沒有優良的儲能系統，即使產出的電再多依然沒有辦法保存，就算得以保存，在保存過程也會大量流失。為了將電力儲存起來，電池製作技術因此不斷地進化。從1800年伏打發明的第一顆電池，到如今生活中到處都是、可重複充電的鋰電池，可以說電池一直是推動科技進步非常重要的立基工藝。本期探索基礎科學講座邀請到臺灣大學的吳乃立教授，來與我們分享電池的前世今生，以及揭開鋰電池的神祕面紗。

講者、審訂｜臺灣大學化學工程學系吳乃立特聘教授

彙整、撰稿｜周書瑋

現代生活離不開電力，人類也發明了不同的發電和儲電方式，但過去多數發電方式對環境和氣候造成顯著的負面影響，因此學界和業界皆致力於尋找乾淨、永續且有料綠的替代能源。在眾多電力設備中，大家往往容易忽略電池——儲存電力的重要工具。良好的電池儲能系統能將離峰時段所發的電儲存起來，留到尖峰時段使用，減少尖峰時段電廠過載而跳電的風險，也減少輸送過程中的電力浪費。本期講座邀請到臺灣大學化工學系吳乃立特聘教授，回顧電池的發展歷史、並特別介紹鋰離子電池的原理和未來發展趨勢。

電池的始祖——伏打電池和鉛酸電池

電池雖已有百年歷史，但電池技術在過去較不被重視，直到近年來，電池研究才再次蓬勃發展，主要可歸咎於兩大原因：全球暖化和行動裝置需求提升。由於傳統發電方式排放大量溫室氣體，人們開始尋求乾淨的再生能源，其中也包括電池。傳統的不可再生能源多為「集中式」儲能，像是石油、燃煤等，需要經過很長的運輸線後送到使用者手上；相較之下，「分散式」的再生能源，像是太陽能和風能無所不在，因此更需要分散式的儲能裝置將能量儲存起來，以供後續調度和使用。此外，隨著人類對行動裝置需求提高，像是手機、電腦和環保電動車，都需要行動電源，也就是電池。

那麼電池的原理是什麼呢？如果以水力發電做比喻，水從高重力位能掉到低重力位能時會釋放能量，該能量能驅動輪軸產生電（即重力位能轉換成動能，動能轉換成電能），如果晚上（用電離峰時間）產生很多電，可以利用幫浦把水打回高位能處，將多餘電能儲存起來。電池的原理和水力發電類似，若把電子想像成水分子從高處流向低處，也就是從化學位能較高的電池負極，經過外界線路到化學位能較低的正極，正負極間的化學位能差距就相當於所釋放的電能。當能量用罄，充電時電子從低化學位能的正極被打到高化學位能的負極，相當於把水從低重力位能處打到高重力位能處。

回顧電池發展史，西元1800年左右義大利科學家伏打 (Volta) 發明了最早的電池，因此我們常說的電池是多少伏特，就是為了紀念伏打。伏打觀察到鋅電極會氧化釋出電子，低化學位能的氫電極吸收電子被還原並產生氫氣，過程中釋放化學位能被轉換成電能，電池電壓定義則是高位能電位減去低位能電位的差。伏打電池屬於一次電池，用完後不能再次充電，至於最早的二次電池（電力用完可再次充電的電池），則於1859年由法國科學家加斯東發明，也就是我們至今仍耳熟能詳的鉛酸電池。鉛酸電池的正負極都使用氫作為介質，以鉛作為電極，負極放出電子被氧化，正極則接收電子被還原。近年來，大家越來越重視鉛回收，也開發了許多鉛回收機制，大大提高鉛酸電池使用效率，讓它擺脫過去不環保電池的惡名，廣受工業界喜愛。

從電動車到燃料車再回到電動車——百年來的有趣競爭

電池發展和電動車一直息息相關，全世界第一部小型電動車就是在鉛酸電池問世大約30年後，由法國科學家古斯塔夫推出，北美科學家也在差不多時間推出第一部較大型的四輪電動車，取代馬車的使用。然而，1886年左右，德國的卡爾・賓士 (Karl Benz) 發明燃料汽車，漸漸取代電動車的地位，電動車因為其種種劣勢，漸漸被燃料汽車比下去。燃料車的「能量比」較電動車高，每公斤儲能介質能提供的能量較多，一公斤汽油大約能提供四、五十百萬焦耳能量，一公斤的電池卻只能提供約一百萬焦耳左右，換句話說，每公斤電池能驅動汽車移動的距離遠小於汽油，電動車沒落的原因顯而易見。

既然電動車完全比不上燃料車，那為什麼人們現在對電動車越來越感興趣呢？原因藏在全球暖化和高能鋰離子電池問世。電動車雖然獲得重生機會，但仍須提高所使用的鋰離子電池的能量密度，才能站穩客車主要市場。舉例來說，一公斤充飽的電池可以驅動電動車跑一英里，臺北到高雄四百公里（約250英里），如果不想中途停車充電，就需要250公斤的電池才能衝一次電就跑完全程，因此若能提高電池儲能密度，必能大大增加電動車的方便性。

揭開鋰離子電池的神祕面紗

鋰離子電池透過鋰離子在電池內部正負極之間移動來完成充電和放電，因其使用有機溶液作為電解液，氧化還原電位比用氫離子水溶液作為電解液的鉛酸電池高，因此最大操作電壓更高。由於電壓和儲存能量呈正相關，能操作的電壓越大，電池能儲存的能量越大，鋰離子電池就能儲存比鉛酸電池更多的能量。然而，凡事有利也有弊，鋰離子電池的有機電解液遇熱後容易起火燃燒，而鉛酸電池使用的水電解液受熱後會蒸發，很少有燃燒問題。

由鎳、鈷、錳三元素氧化物組成正極的三元電池是市面上常見的鋰離子電池，其中鎳最為重要，含量也最高。鎳含量越高，電池電量雖然越高，熱穩定性卻越差，造成安全問題，且三元電極使用一段時間後，活物粒子會龜裂，縮短電池壽命，因此在提高電壓和電池安全之間必須找到平衡。三元電池除了結構不穩，電池熱穩定度低，電池損傷時容易失火，造成熱失控問題，有鑑於此，吳乃立的實驗室重新組裝了三元電池正極，透過奈米表面修飾，有效降低電池熱失控起火機率。

近年來，業界和學界發現不少更好的電極材料，不僅能量密度高，安全性、穩定性、環境友善也高，且成本較低。過去固態電池研究曾因為沒有市場需求而式微，但當今市場需求再起，投入相關研究的人越來越多，未來發展值得期待。