新技术不胜枚举,未来锂电池储能龙头地位不保?

新技术不胜枚举,未来锂电池储能龙头地位不保?

通常一提到储能系统,第一个想到的可能都会是锂离子电池,毕竟锂电池应用範围相当广,小至智慧型手机大至电动车都可见,但随着科技进步、越来越多兼具低成本与环保的储能技术浮出水面,未来锂离子电池是否还能坐稳储能技术龙头?

由于锂离子电池寿命和能量密度都远胜于铅酸电池,锂电池一直以来都是炙手可热的储能技术首选,但锂离子电池的成本在 2017 年上升 240%,厂商渐渐开始面临供应链、资源短缺、成本上扬的挑战,因此不少科学家正寻找低成本又有效的低碳电池技术。

只是这些技术是否能成功达到商业化,规模又是否能跟锂离子电池相竞争,这些都还有待观察。

低成本与多功能氨气储能

有别于其他国家与厂商看好氢燃料,德国工业巨擘西门子对氨气储能寄予厚望,该公司近期与 Innovate UK 斥资 150 万英镑在英国牛津哈威尔展开世界首个氨储能先导计画,专案包括风力发电机组、氮气产生器、电解水系统、30KW 发电机与製造氨气的哈伯法反应炉。

该示範厂目标是将电力、水和空气无碳转化为氨气,将氨气储存在储罐后,就可以用来燃烧发电、当作车用燃料出售,或是用于工业製冷。

氨气目前已实现工业规模生产、储存和运输,是个人们相当熟悉且低成本的化合物,它也同时是个多功能燃料,如果想将氨气用于燃料电池,也可以将氨气转换为氢气,用来发展氢气经济与氢燃料车。

该技术成本效益相当高,西门子表示,对于许多人来说,目标都是能够找到成本、储存容量跟寿命都可与锂电池相较的技术。

原材料丰富的钠离子电池

由于地球上钠含量比锂矿丰富,且钠离子与锂离子具有相似的运作模式,现在也有不少研究员关注钠离子电池,并认为该电池未来可比锂离子电池更加便宜有效、安全疑虑更低。

像是法国国家科学研究中心(CNRS)、美国华盛顿州立大学(WSU)和史丹佛大学都在开发钠基电池,2017 年史丹佛大学团队开发了一种新型钠离子电池,可以储存和目前市场上最先进锂离子电池一样多的容量,但成本仅不到锂离子电池的 80%。

不过钠基电池也并非完美无缺,钠离子比锂离子重 3 倍,离子在电极之间的移动速度会变慢,导致能量密度尚不高。目前该电池还需要进一步最佳化,才能突破稳定性与能量密度低挑战。

低压储存的液态空气储能

液态空气(Liquid air)储能设备也被称为低温储能,是个不受到地点限制的技术。由于空气液化点在摄氏零下 183 左右,该系统首先会将空气低温液化、在低压状态下储存,需要用电时将液体空气被抽到高压状态,再加热至气态,之后就可以驱动发电机或是涡轮机。

英国 Highview Power 公司与废弃物回收管理公司 Viridor 公司在 2016 年也获得英国能源部提供的 800 万英镑研究经费,近期成功更在曼彻斯特打造世界第一座液态空气储能工厂 Viridor Pilsworth。

该工厂将空气温度降至摄氏零下 196 度,把空气转变为液态并储存在绝缘容器中,要用电时再从容器中抽出液态空气,加热后压力升高便可驱动涡轮机发电,且该技术还可以回收再利用本身运转产生的废热或是废冷,进一步提高发电效率。

Viridor Pilsworth 液态空气储能工厂容量可储存 15MWh 电力,足够为 5,000 户家庭提供连续 3 个小时电力。Highview Power 指出,液态空气储能工厂除了可运转 40 年,还可以任意选择安装地点,能够有效与再生能源相辅相成。

液体也可以储存大量电力

除了用电化学与空气来储存电力,水、液体也可以用来储能与发电。近年来液流电池也是众所瞩目的研究焦点之一,美国史丹佛大学与哈佛大学在液流电池研究都有所进展,并都认为该电池可为再生能源储能系统尽一分心力。

新技术不胜枚举,未来锂电池储能龙头地位不保?

 典型液流电池运作示意图。

该系统运作模式是将电子储存在外部两侧的液态电解质槽,充放电时电解质会被帮补到中间的发电室,而发电室也会以薄膜隔开两种溶液、形成两个电极,最后产生离子交换来发电。且由于电池两侧电解质是分开存放,相互渗漏与自身放电的机率都很低,因此安全性高、能量也可以长久储存,非常适合製作成大型储能系统。

荷兰 AquaBattery 公司也有发展出一款基于盐与水的液流电池,透过渗透技术来进行离子交换并可存放电力,该公司的「蓝色电池(Blue Battery)」具有永续发展优点,可在发电尖峰时段利用无毒材料来储能,近日也正如火如荼打造二代系统。

打造真正「绿色」的技术

未来的储能技术标準将会越来越高,除了要满足寿命、电池容量与成本,也得考量到电池是否会造成污染、是否能回收再利用等问题。

就好比锂离子电池,虽然大部分国家都有电池回收机制,但是这并不包含锂离子电池,相关法律与机制的不足使锂离子电池常常没有被妥善回收,最终都直接丢入垃圾填埋场或焚化炉,比利时科技公司 Umicore 指出,市场上只有 5% 锂离子电池被妥善回收。

但锂离子电池其中的钴、铝跟铜都可以再次利用,不好好回收实在是有点可惜,且随意丢弃锂电池也对环境不好,未回收电池与其中的电解质将会产生毒气体外洩、水污染等大量环境污染。

因此研究员除了得努力寻找低成本锂电池替代品,还必须确保新储能系统的回收方式,以免之后造成另一波环境灾难。