EnergyTrend: 新一代鋰鐵電池之應用與展望

發佈日期: 2012 年 12 月 06 日 18:19 | 作者: | 分類: 分析評論
2012年綠色產業展在各種再生能源系統組成的襯托下,呈現給大眾更多元化應用的面相。做為再生能源範疇裡重要的儲能源件,鋰電池產業包含了關鍵的電池芯與電池模組也沒有缺席。
 
符合環境保護的製程特性
 
長泓能源科技主要從事是電池芯生產,產品類別包括了16.8Ah的軟包電池,或者內含三顆軟包電池做並聯的50Ah電池芯(圖一)。在材料方面,使用氧化鋰鐵磷做為正極材料,製造部分則使用了水系製程,相較於傳統的磷酸鋰鐵油性有機溶劑製程,水系製程相對的安全、環保與無毒,除可避免油性製程中有機溶劑可能發生的氣爆現象,亦可免除具汙染的有機氣體釋出。此一優異的特質對製程加工環境、設備投資與製程良率的控管均有絕對之影響。
 
【圖一】長泓氧化鋰鐵磷電池芯
Source: 長泓能源、集邦科技整理
 
氧化鋰鐵磷電池因為其缺陷型橄欖石結構(Defected Olivine)的特性,對於鋰電池較為忌諱的過充(Over Charge)與過放(Over Discharge)現象, 因高溫所產生的安全疑慮也較低,相較其於他不同化學結構之鋰系電池因高溫裂化或析鋰而產生的自燃風險,鋰鐵電池無疑是鋰系電池中最佳的選擇,循環壽命可達到兩千次以上。另,產品電壓經過四顆鋰鐵電池串連後,即可取代鉛酸電池的12V電壓,對於電路設計的修改程度也較低。
 
優異的安全與放電表現
 
鋰鐵電池因為分子密度組成的限制,與三元系材料的能量密度,在電池重量表現上一直受到市場的顧慮,長泓電池使用了單電池芯內並技術,組成單顆電池芯50Ah的方型電池,若是與相同容量的18650鋰鐵圓柱型電池相比,圓柱型需要45顆的並聯,在重量上將增加20%,體積也將超過30%(圖二),最重要的是多顆並聯將產生多點焊接的不確定變數,使得電池成組之內阻因鬆動而遽增,安全風險也將提高。
 
以電池產品最重要的放電表現來看,長泓氧化鋰鐵磷電池最大放電電流可達到500A(10C, pulse 30Sec),電池輸出功率密度亦可達1413W/kg以上,因其單體電池體積小、容量高,故在市面上同級鋰鐵電池芯的產品中,長泓的鋰鐵電池具有極優異的市場競爭潛能。
 
【圖二】儲能系統規格比較
Source: 長泓能源、集邦科技整理
 
應用多元發展
 
長泓科技這次也將剛完成量產的高能量氧化鋰鐵磷電池芯,佐以不同之成功應用,包含全套的非洲學童燈組,呈現於會場之中(圖三)。
 
為了驗證長泓能源50Ah動力電池芯,長泓也陸續與模組廠合作進行電池模組化,並且裝置在各種動力載具上,包括了各種EV、E-bike、E-Ferry載具以及儲能系統等等,其中電動船(石門一號)目前已在石門水庫進行試運行,預計三年內有機會擴及到日月潭及其他各水庫等地。電動機車目前與多家國內外機車製造廠合作,初期鎖定歐美日等市場。較大型的載具如高爾夫球車、電動大巴、純電動車、堆高機….目前也已陸續推出多起成功應用,且獲得業界不少青睞。儲能系統則以日本及歐洲為主要市場,提供電力不足地區做為穩壓以及節能電源的應用。
 
【圖三】長泓電池多元應用
Source: 長泓能源、集邦科技整理
 
除了陸上載具之外,水上載具也成為長泓關注的應用焦點。石門水庫第一艘太陽能公艇石門一號(圖四),已於今年九月份正式下水服役,由甲申由船業有限公司製造/隆宜公司輔助所打造的雙體式船底、聯合財團法人船舶暨海洋產業研發中心所設計的船身結構與鴻錩動力科技所慎密籌建的電控系統與電池組設計,此一系統團隊由設計之初即導入系統化的觀念,成功地運用長泓鋰鐵電池並發揮至最大極致。不但克服了水上運行所面對的水阻以及多濕、多震盪等環境特性,更對馬達輸出功率選配、船內外機緊急動力系統設計、電控系統設計、太陽能備用電源規劃、電池選擇、電池成組規劃、水密設計、電池管理系统設計、充電系統規劃與選配、電動管制中心的整合,都做出最「適」化的設計,方使石門一號得以無虞的在石門水庫進行例行的水域巡航與水質監控的任務。
 
此艘電動船的動力主要來自60KW的純動力電池,同時也備有16片約3KW太陽能板作為備用電源儲能之用,可強化石門一號的綠色環保形象。據經濟部水利署北區水資源局張庭華主任說明,石門一號被賦予了十六項的例行任務,未來也將與志工活動結合,肩負著傳統水上載具結合綠色能源的環保教育使命。
 
【圖四】石門一號電動船外觀
Source: 石門水庫管理局
 
根據集邦科技的現場了解,有別於日月潭電動船的旅遊功能,石門一號開發的目的在於寧靜水域的調查,因此在船體規格上適合輕巧的船身設計,而非將傳統遊艇進行動力改裝,換句話說,石門一號是特別為了此一水域的運作任務而進行的船體設計與製作,採用雙體式船底(圖五),船底中間位置呈現懸空狀態,讓船底的吃水面積達到最小狀態,降低水阻以提升船隻的續航力,讓內部的電動系統能夠更佳的發揮其效能。
 
石門一號配備了60kWh的總電池容量,利用六個模組進行並連,以避免因為單一模組故障,而產生了整體功率不足導致船隻停擺的情形;而驅動部分則是由兩組25kW (96V)低壓馬達所組成,平時則以6kW低功率進行巡航(約六節航速),有別於一般動輒220V馬達來說,屬於相對低耗電的驅動系統;綜觀整體驅動與儲能系統的搭配,另外因為採用50Ah大容量電池芯設計,且以低功率型式輸出動力,電池放電率 (c-rate)可降低至0.1C,在電池模組的散熱設計也因此而變得簡單且省電。
 
充電設計可使用16kW(220V, 75Ah)進行高功率充電,充電時間約四小時,另佐以船頂所配置的太陽能板進行慢速充電,讓整體船隻在運行時,將綠色能源發揮到極致。
【圖五】石門一號各部件系統特色
Source: 長泓能源、鴻錩動力科技、集邦科技整理
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