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UL電池科技峰會從技術、安全、應用探究儲能系統

  • 孫昌華

眾所皆知,近年能源及電力產業發展議題,始終備受各界關注,產業界也積極尋找下一個最具市場涵量的技術與應用;伴隨綠色能源、新型電動交通工具、運輸及智慧建物等等諸多應用的帶動,「電池儲能」已躍為焦點,稱得上是高度吸睛的明日之星。

此時此刻,電池儲能仍處於快速變革的時期,究竟孰為贏家或輸家,尚在未定之天,顯見此議題蘊含許多亟待探索與開發的空間。為此向來致力推展安全科學、期以驅動未來性產業躍進的UL(Underwriters Laboratories),著眼於「台灣創新、紮實研發」願景,偕同台灣電池協會、DIGITMES,在日前舉辦「2018電池科技峰會」。

UL希冀藉由各領域專家的精闢分享,從市場發展、技術演進、基礎工程與智慧應用等不同角度切入,深度探究電池儲能議題,同時也特別安排一場「儲能系統新視野—從技術、安全、再生、管理、應用、供應鏈談儲能商機」高峰座談,藉由專業媒體人帶領協會代表、產業先進及技術專家,進行深度對談,向與會者拋出儲能系統新思維。

鋰電池創新應用,以安全性為依歸

UL全球研發技術總監暨UL機構榮譽理事王凱魯致詞表示,能源議題牽動經濟發展,在綠能當道前提下,儲能系統成為當前產業與政府解決電力問題的一大關鍵。伴隨併網型儲能系統帶動,促使再生能源產業對鋰離子電池技術的需求攀升,另外加上鋰離子電池持續降價效應,影響所及,鋰電池儲能系統的前景益發看俏。

根據Research and Markets的2018年最新報告顯示,2017年全球鋰電池市場產值為298.6億美元,預期到2026年可望增至1393.6億美元,成長幅度達366.7%,火熱程度可見一斑。

儘管鋰電池蘊含許多創新應用價值,但不可否認,後續能否穩定發展的關鍵,勢必維繫在安全性。有鑑於此,UL針對鋰電池的各種應用,陸續推出新的安全標準,綜觀這些標準內含的重要元素,首先在必須兼顧電池與系統安全性,其次應建立功能性安全(Functional Safety)機制,再者則透過反向思考,提出失效後的應對防護措施,以優化電池系統設計。

王凱魯重申,UL期望「2018電池科技峰會」帶動跨界交流,分享電池儲能的發展趨勢,並為台灣業者指引可能的切入商機。

台灣電池協會理事長李桐進指出,論及儲能發展,目前全球皆處於啟動階段;以台灣而論,現今發展途徑包括能源局前瞻計畫示範推廣、台灣電力公司示範運行,及社區型儲存的推廣。

李桐進強調,欲促進儲能大步發展,「標準」絕對是必要關鍵,而標準的推廣重點有三,一是產業標準,近兩年台灣電池協會舉辦多場會議,其用意便是催生產業標準,並與全國認證基金會(TAF)合力進行研究,判斷哪些機構有能力提供相關檢驗服務;二是儲能利用,可考慮將儲能列入再生能源法規中;三是政策推廣,建議政府可善用補助及獎勵,鼓舞台灣產業結合太陽能板與儲能,發展為完整系統,增強競逐世界盃的實力。

此外循環經濟的推廣,亦是牽動儲能發展的關鍵之一,相關的推動重點,首先在於未來汽車、機車等電池的梯次利用及回收體系統之推廣,其次在於材料再利用、電池組租賃、綠色能源管理、碳足跡的足跡等等新商業模式的建立。

立足安全核心,提升能量密度與循環壽命

工研院產業科技國際策略發展所(IEK Consulting)研究員林幸慧,以「能源新星—鋰電池儲能的市場觀測」為題發表演說。她指出,全球鋰電池市場呈現穩定成長態勢,2017年整體市場規模達136 GWh,年增率為31%,其中車用鋰電池為成長之最。

電動車廠對於電池性能的要求(含能量密度、充電速度、循環壽命)日益提升,其中能量密度鋰電池驅使電池材料趨向高克電容量、高工作電壓等方向發展,現以高能量密度NCM(三元)為主的正極材料,未來逐步使用高鎳化、高鋰化等高克電容量材料,負極材料則導入矽負極材料。

惟因2018年意外事件不斷爆發,使各國政府與產業更加重視鋰電池安全性與相關消防措施,舉凡提高材料熱穩定性、確保BMS(電池管理系統)功能性正常、有效防止延燒及產品安全性測試,皆成為各界關注焦點。總體來說,針對儲能電池,應以安全為核心,透過材料、機械結構、設備等全方位把關,再立足於安全基石,接續尋求能量密度、使用壽命或高低溫性能的提升。

對的材料與電池設計,必能產生對的應用

德國EnergyBus協會主席楊模樺闡述「電池技術的改造運動」,他表示今後再生能源裝置總容量愈趨攀升,某些區域的再生能源佔比多達30%以上,這些區域如何維持能源系統品質與有效利用性,將是重要課題;欲強化品質與效率,關鍵就在儲能系統及能源管理技術。

每當探討儲能系統,多數人第一個想到的都是鋰離子電池。楊模樺說,不管談到鋰電池的正極、負極、電解液與隔離膜,每個區域皆有諸多材料選項,而每項材料帶來的變化,皆可能對整體系統產生複雜影響,他認為不同材料彼此間並無絕對的好壞,端看設計者能否針對眾多材料的排列組合,做到優化調控,以期在功率/動力(Power)、能量(Energy)、安全性(Safety)、使用壽命(Service life)及成本(Cost)等五大指標之間實現最佳平衡,終至滿足應用端之需求。

展望今後值得關注的趨勢,包括已在3.5 Ah達到瓶頸的18650圓柱形鋰電池,可望完成動力電池的初期應用階段使命,後續由21700電池接棒,單體容量可達到5.0~5.5 Ah,滿足更高能量密度要求;隨著電池尺寸的擴大,勢將融入更多基於安全性、可靠度的設計,譬如三星針對儲能開發的鋰電池中加入Fuse,就是明顯之例。

估計在可預見的1~5年內,鋰電池的正極材料仍將持續提高鎳含量,矽負極材料的使用比重亦不斷提高,預估在5~15年後,也許可見到固態電池、鋰硫電池或鋰空氣電池的崛起。但無論演變態勢為何,「對的材料」加上「對的電池設計」,依舊是孕育「對的應用」的致勝方程式。

系統失效模式,應是被「設計」出來的

接下來的數場議程,由王凱魯領銜,偕同多位UL內部專家接力演說。王凱魯分享的主題為「鋰電池安全應用與標準的新思維」,他強調鋰電池的原罪在於熱失控問題,係因多數材料在高溫下容易分解,故而觸發熱生成、放熱反應、加速反應等循環,終至起火燃燒。

因此人們應認清現實,了解鋰電池有一定的安全風險,要懂得如何要求電池的安全性,一方面從品質著手,降低電池出問題的機率,二方面需要從電芯設計出發,降低電池失效的嚴重性;不僅如此,應用端也要有更完善的安全措施,意即應用鋰電池的產品,必須要有完善的失效模式設計。

如何善盡失效模式設計?王凱魯提出兩大重點,首先在系統設計前,先要了解電池特性,包括電池安全的使用範圍、電池可能的失效方式與嚴重性,其次系統的失效模式應該是被「設計」出來的,唯有系統的層層把關,才能緩解失效可能造成的損害。

其餘UL講者依序為擔任全球研發技術部資深工程師的吳明龍、能源暨電力科技部首席工程師Jason Smith,及能源暨電力科技部工程經理翁文俊。

吳明龍分析電池失效的原因,並分享相關案例。他歸納鋰電池安全特性的影響因子,大致落在設計、品質及應用三大區間,肇因於三區塊當中的任何不良因素,可能產生過熱膨脹、起火、冒煙、破裂與爆炸等不同失效模式。

關於鋰電池失效案例,令人印象深刻的莫過於波音787、三星Note 7等事件。以波音787電池失效個案而論,無論在設計、品質及應用等方面皆有缺陷,設計的缺點包括電池芯、極柱,前者起因於極柱與集流體之間的連接點設計不良,以致容易衍生局部熱點、造成內短路,後者因為應力不均,造成極卷兩側的極片與隔離膜之間接觸不良;談到品質問題,則礙於極片與隔離膜的接觸不良,導致某區域的鋰離子無法正常傳導,過多鋰離子於局部累積,因而形成鋰針晶物;關於應用部份,主要問題在於低溫下的放電率僅70%,無法被使用的能量轉為熱,於系統內累積。

吳明龍補充說,有時問題的癥結不在電池本身,而在電池組裝的方位,因方位不同,造成某些極柱電解液不平衡的浸潤,因而產生腐蝕現象。

藉助功能性安全,確保電池可靠無虞
Jason Smith介紹隱藏版的功臣「功能性安全」。他指出,綜觀現今多數電池設計,愈來愈少見到諸如保險絲或熱關斷(TCO)之類的無源元件,此乃因為基於成本、靈活性、重複使用、更小的空間、更高的效率、更強大的功能等等考量,開始大量採用有源電子產品與軟體,意即電池管理系統(BMS),因此需要藉助功能性安全原則,確保電子產品及軟體具有一定的可靠度。

他接著說,完整的功能性安全,應涵括四大要素,分別是危害與風險的評估、環境壓力測試、硬體評估與軟體評估。以電池的危害與風險為例,包括電池因排氣、洩漏、熱失控等異常狀況而導致的危險,及過壓/過充、欠壓/過放電、過溫、充放電時過電流,可藉由失效模式和影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)來加以評估。

總之藉由功能性安全評估,足以識別並解決電池的危害與風險,並確認硬體是否可靠、電子產品能否耐受惡劣環境的影響,及軟體沒有錯誤或缺陷,終至確保電池安全運行。

接續登場的翁文俊,針對與電池安全相關法規進行剖析。他指出,過去25年來,鋰電池在全球電池市場中,可謂增長最快、應用最廣泛的產品,不少鋰電池渴望獲得通行全球市場的認證,但現階段並無這般制度,僅能藉由轉證或是透過當地市場的認證。

他介紹幾個區域或國家針對鋰電池的法規要求,譬如起步最早的日本,現有PSE及S Mark標章,其中PSE涵括鋰電池蓄電池、不含儲能產品,若容量體積大於或等於400WH/L,需申請圓形PSE,此時UL可用 JIS C8715-2發測試報告及證書,讓客戶的產品掛上S Mark跟整個系統去申請當地的補助。

針對儲能電池系統,目前相關標準甚多,包括較為常見的UL1642、UL1973、IEC62619等;若論及功能性安全標準,也有UL991、UL 1998、IEC61508 Series等眾多項目。由於標準繁多,製造商不易憑一張證書行遍全球,但UL正在規劃在未來納入IEC標準,協助業者轉證CE,如此僅需一次認證即可,有助降低費用與Lead Time。

最後兩段議程,由有量科技總經理程敬義、台達電子儲能元件事業部資深經理戴大欣聯袂壓軸。程敬義講題為「探究鋰電池儲能系統的性價比」,一方面介紹該公司採用的STOBA防爆技術,標榜可附著在正極材料於表面形成薄膜,增加電池的阻抗並降低電流,有效抑制熱爆走;二方面闡述三元材料、磷酸鐵鋰、鈦(錳酸鋰)等三類鋰電池,皆可用於儲能系統,端看應用場景為何,假設以5年壽命、削峰填谷、2千次深度充放電等條件而論,低功率NMC的CP值最高,反觀若以電力品質改善、頻率調節為導向的應用,由於需要做快速充放電,則以LTO(鈦)最具優勢。

戴大欣暢談儲能系統於智慧電網的應用模式,他首先介紹儲能系統架構幾個重要元件,包括電池儲能系統(BESS)、儲能貨櫃系統、電力調節系統(PCS)、Site Controller等等,接著將儲能應用區分為表(電表)後、表前等市場,人們相對熟知前者,常見應用包括削峰填谷、時間移轉應用,但他認為伴隨電業自由化趨勢,可望衍生諸多新興模式,所以表前應用的重要性將持續攀升,相關應用例如輔助服務,協助電網做頻率調節。

段標;專家分享真知灼見,帶出儲能新視野

活動最後,由作家暨電台主播朱楚文擔任主持人,邀集EnergyBus協會楊模樺、有量科技程敬義、台達集團戴大欣、UL王凱魯等講者再次登台,加上台灣電池協會秘書長呂學隆,5位專家共聚一堂,從技術、安全、再生、管理、應用及供應鏈等不同角度,探究儲能商機。

戴大欣指出,將儲能系統用於電網,各國還在摸索,因此台灣無法借鏡外例,只能靠自己的場域淬鍊實際案例,再結合經驗傳承,方能有所突破。

楊模樺說,電池從電動車走向儲能,從小的電力電子結構走到大的電力電子結構,從kW走向MW,在安全性方面既無經驗值,也無標準方法可循,他認為較佳的做法是,讓電池設計、應用開發的不同團隊協同發展,藉此確保從材料、電池設計到系統控制的一路安全。

王凱魯認為,談電池安全,不宜僅看單一元件或產品,需站在更高角度,綜觀材料、元件、產品乃至系統等完整構面;他強調100%不出安全問題,是不可能的,因此重點在於需為系統設計容錯空間,力求失效情況不會蔓延。

程敬義表示,由於材料研發的精進、生產自動化加上規模擴大,使鋰電池在過去十年大幅降價八成,展望未來他仍預期持續降價,挾著日益強勁的成本優勢,鋰電池非常適合用於電動車或儲能系統;唯一變數是材料,只因隨著大量生產自動化,現今生產鋰電池的人工、製造成本合計僅佔10~15%,反觀材料佔比則高出許多,例如近年因電動車大量推廣,導致正極材料需求高漲,使鈷翻漲了2~3倍,便可能造成鋰電池價格波動。

呂學隆說,論及儲能系統的標準,不管從產業或市場的秩序、商業模式、安全性能等諸多面向來看,標準的需求亟需一步步發展;考量台灣必須連動國際市場,故儲能系統產品應接軌國際安全性能檢測標準,繼而再探討因地制宜的可能性,而標準檢驗局已為此著手準備,預期今年底到明年初,便可提出初步標準。

總括而論,透過協會代表、產業先進及技術專家之間對談,針對人們急欲探究的諸多儲能系統問題,皆能一再給予精闢的解答,得以拋出深具高度的儲能系統新視野。


UL全球研發技術總監暨UL機構榮譽理事 王凱魯博士


產業經濟與趨勢研究中心研究員林幸慧


德國EnergyBus協會主席楊模樺博士


UL全球研發技術部資深工程師吳明龍


UL能源暨電力科技部首席工程師Jason Smith


UL能源暨電力科技部工程經理翁文俊


有量科技總經理程敬義博士


台達電儲能元件事業部資深經理戴大欣


Panel discussion主持人朱楚文


(左起)UL王凱魯博士、EnergyBus協會楊模樺博士、台灣電池協會呂學隆秘書長、台達集團戴大欣資深經理、有量科技程敬義博士、主持人朱楚文