能源知識庫

重點摘述

新型儲能電池-鈉離子電池

全球使用再生能源目標大幅提升，以台灣地區為例，2030年風力與太陽光累積發電容量預計分別達4.2與6.2 GW。然而不穩定再生能源需搭配儲能系統以提供穩定輸出之電力避免危害電網，電網級儲能系統是未來再生能源電網所需之重要技術。目前僅有抽蓄水力電廠及空氣壓縮技術足以達到電網級儲能系統的成本目標(0.03~0.01 USD/kWh/cycle)，但上述兩種技術需有特殊地形限制且須考慮環保議題，因此各國皆積極發展其他儲能技術，如鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、氫燃料電池、金屬空氣電池及鈉離子電池等化學式儲能技術。

    鋰離子電池技術成熟且已被廣泛使用於消費型電子產品、電動車輛等用途，然鋰金屬含量僅佔地殼中的0.6%，且近年來隨著使用消費性電子產品需求量的大增，導致原物料有價格逐漸攀升與產能不足之趨勢;此外，鋰離子電池在安全性上的表現，較為人詬病，因此目前在鋰電池技術於儲能運用之發展著重於:降低價格、提升能量密度、循環壽命、研發不易燃燒的電解質或是開發具類似化學性質的其他金屬電池技術。

    在鋰以外的金屬電池材料之中，近年來以鈉最受到重視，鈉離子電池在將來的實際應用性特別受到矚目，主要的原因有二：(1)性質相似:鈉在元素週期表上與鋰位於同一族，兩種金屬在多項物理與化學特性上十分相近，因此鈉離子電池也能像鋰離子電池提供相似的電池性能；此外，在鋰離子電池技術發展成熟的狀況下，許多技術或材料結構的考量可以直接應用在鈉離子電池的研發上。(2)價格考量：鈉金屬的全球蘊藏量豐富，其儲量約佔地殼儲量之2.64%，而價格更僅為鋰金屬的2 %，因此在較低電容量與能量密度的情況之下依然具有商業競爭優勢。從電池元件上分析，鈉離子電池係由陽極、電解質與陰極所組成因其工作原理與鋰電池相似，所以所使用材料均可沿用鋰電池系統，陽極常見的為碳系材料、陰極則為具層狀結構之過渡金屬氧化物與有機系統電解質；其電池反應機構如下圖一，充電時鈉離子由陰極(過渡金屬氧化物)經由電解質進入陽極(碳系材料)且電子經外電路到達陽極，放電時則相反，與鋰電池一樣具有極佳的良好充放電循環性質。

    依據電解質性質不同，鈉離子電池可分為有機電解質與水溶液兩大類;傳統所使用之有機電解質具有廣泛的操作電位之特性，適合作為高電位與電含量之電極材料，屬於高能量密度型儲能系統，如常見之鋰離子電池即是使用有機電解質，但其成本較高與易燃燒，因此當運用於大型電網級儲能時，需考慮較嚴密之安全性防護措施。反觀水溶液系統，受限於電位視窗小，鈉離子電池能量密度較低，但其價格低廉、安全性高之特性在電網級儲能系統運用上極具競爭優勢。目前歐、美、日等先進國家或是國際知名廠商均積極投入鈉離子電池研發，如美國PNNL、SNL國家實驗室、日本產業技術綜合研究所(AIST)、日本豐田汽車等；並自2009年後，更於美國已成立兩間以鈉離子電池產品為主的新創公司，分別為Aquion Energy和Alveo Energy公司，其中Aquion Energy獲得美國能源部支持與美國微軟資金挹注，其產品目的主要為開發目標為成本售價達成美國能源部對於儲能電池的終極目標(0.025 USD/kWh/cycle)，並實現大型量產化生產，以結合再生能源使用，利於擴大再生能源的普及率。現階段鈉離子電池發展仍處於研發階段，若可有效改善鈉離子循環壽命之問題，將可望有效解決未來再生能源高佔比所帶來之困境，以利於實現本國節能減碳之具體目標。