專題論壇 | UL 電池科技峰會，從技術、安全、應用探究儲能系統
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增長態勢，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。
惟因今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 UL 1642、UL 1973、IEC 62619 等；若論及功能性安全標準，也有 UL 991、UL 1998、IEC 61508 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。
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。