电池储能与锂离子电池：挑战与技术发展
电池储能与锂离子电池：挑战与技术发展
当我们讨论各种能源问题时，往往专注于发电效率和总发电量，却常常忽略了同样重要的储能领域。如果没有高效的储能系统，即使产生再多的电力也无法妥善保存，且在保存过程中还会造成大量损耗。为了储存电力，电池制造技术不断进步。从1800年伏打发明第一块电池，到如今随处可见的可充电锂电池，可以说电池一直是推动科技进步的重要基石。
电能存储的重要性
现代生活离不开电力，人类发明了各种发电和储电方式。但过去多数发电方式对环境和气候造成了显著的负面影响，因此学界和业界都在积极寻找清洁、可持续的替代能源。在众多电力设备中，电池除外，这个储存电力的重要工具往往容易被忽视。良好的电池储能系统可以将用电低谷时段产生的电力储存起来，在用电高峰时段使用，既能减少高峰时段发电厂过载导致的停电风险，又能减少电力输送过程中的损耗。
电池的发展历程
伏打电池和铅酸电池
电池技术已有数百年历史，但直到近年来才重新受到重视，这主要归因于两个因素：全球变暖和移动设备需求的增加。传统发电方式排放大量温室气体，促使人们寻求清洁能源，其中就包括电池。传统的不可再生能源多为“集中式”储能，如石油和煤炭，需要经过漫长的运输链才能到达用户手中；相比之下，“分布式”可再生能源如太阳能和风能无处不在，因此更需要分布式储能装置来储存能量，以便后续调度使用。此外，随着人类对移动设备需求的增加，如手机、电脑和环保电动车，都需要便携式电源，即电池。
电池的工作原理类似于水力发电。水从高重力位能处流向低重力位能处时会释放能量，驱动轮轴产生电能（即重力位能转化为动能，再转化为电能）。如果在用电低谷时段产生大量电力，可以利用水泵将水抽回高位，将多余的电能储存起来。电池的原理与此类似，可以将电子（想象成水分子）从高化学位能处流向低化学位能处，即从化学位能较高的电池负极，经过外部电路流向化学位能较低的正极。正负极间的化学位能差就相当于释放的电能。充电时，电子从低化学位能的正极被打回到高化学位能的负极，相当于将水从低重力位能处抽回高重力位能处。
回顾电池发展史，1800年左右，意大利科学家伏打发明了最早的电池，因此我们常说的电池电压单位“伏特”就是为了纪念他。伏打观察到锌电极会氧化释放电子，低化学位能的氢电极吸收电子被还原并产生氢气，过程中释放的化学位能被转化为电能。电池电压的定义是高位能电位减去低位能电位的差值。伏打电池属于一次性电池，用完后不能再次充电。最早的可充电电池（二次电池）则于1859年由法国科学家加斯东发明，也就是我们至今仍熟悉的铅酸电池。铅酸电池的正负极都使用氢作为介质，以铅作为电极，负极放出电子被氧化，正极则接收电子被还原。近年来，人们越来越重视铅的回收，开发了许多铅回收机制，大大提高了铅酸电池的使用效率，使其摆脱了过去不环保的恶名，受到工业界的青睐。
电动车与燃料车的百年竞争
电车的发展与电池技术密切相关。全世界第一辆小型电动车就是在铅酸电池问世大约30年后，由法国科学家古斯塔夫推出的。北美科学家也在差不多时间推出了第一辆较大规模的四轮电动车，取代了马车的使用。然而，1886年左右，德国的卡尔·本茨发明了燃油汽车，逐渐取代了电动车的地位。电动车因为种种劣势，逐渐被燃油车超越。燃油车的能量密度比电动车高，每公斤储能介质能提供的能量更多。一公斤汽油大约能提供400万至500万焦耳的能量，而一公斤电池只能提供约100万焦耳左右的能量。换句话说，每公斤电池能驱动汽车行驶的距离远小于汽油，电动车的没落也就不足为奇了。
既然电动车完全比不上燃油车，为什么人们现在又对电动车越来越感兴趣呢？原因在于全球变暖和高能量密度锂离子电池的问世。电动车虽然获得重生机会，但仍需提高所使用的锂离子电池的能量密度，才能站稳客车主要市场。举例来说，一公斤充满电的电池可以驱动电动车行驶一英里。从台北到高雄大约400公里（约250英里），如果不想中途停车充电，就需要250公斤的电池才能一次性跑完全程。因此，提高电池储能密度必能大大增加电动车的便利性。
锂离子电池的工作原理
锂离子电池通过锂离子在电池内部正负极之间的移动来完成充电和放电。由于使用有机溶液作为电解液，其氧化还原电位比使用氢离子水溶液的铅酸电池高，因此最大操作电压更高。由于电压和储存能量呈正相关，能操作的电压越大，电池能储存的能量越大，锂离子电池就能储存比铅酸电池更多的能量。然而，凡事有利必有弊，锂离子电池的有机电解液遇热后容易起火燃烧，而铅酸电池使用的水电解液受热后只会蒸发，很少有燃烧问题。
市面上常见的锂离子电池是三元电池，其正极由镍、钴、锰三种元素的氧化物组成，其中镍最为重要，含量也最高。镍含量越高，电池电量虽然越高，但热稳定性越差，造成安全问题。此外，三元电极使用一段时间后，活性粒子会龟裂，缩短电池寿命。因此，在提高电压和确保电池安全之间需要找到平衡。三元电池除了结构不稳定，热稳定性低，电池受损时容易失火，造成热失控问题。针对这一问题，吴乃立教授的实验室重新组装了三元电池正极，通过纳米表面修饰，有效降低了电池热失控起火的风险。
近年来，业界和学界发现了许多更好的电极材料，不仅能量密度高，安全性、稳定性、环境友好性也高，且成本较低。过去固态电池研究曾因为没有市场需求而式微，但如今市场需求再次兴起，投入相关研究的人越来越多，未来发展前景值得期待。
图左为讲者 吴乃立 教授、图右为主持人东海大学通识中心 李承宗 助理教授｜来源：臺大科學教育發展中心