本文作者:Sarah Newkirk,為一自由撰稿人

針對鋰離子電池,我們並沒有捷徑可走。我們真正需要做的是:嚴格控制操作參數。

《電池系列三》幫助讀者看到了鋰電池的潛能,以及其在未來越來越多的天災後可能扮演重建角色。在《電池系列四》中,我們將揭開能源資源持續進化後所成就的電塔,將如何活絡整個城市,並成為日常的重要一環。

無論是辦公大樓、居家住宅甚至是整座城市,相信在不久的將來,可能會由鋰電池或其他不斷進化的能源供電。鋰電池以應用在電動汽車和手機中而聞名,然而在全世界其他領域中的應用也愈見普及,包括警報系統、城市電網及辦公室和公寓建築。

只是目前若欲廣泛使用鋰電池,其中最大障礙之一正是「成本」,如用於電動汽車的鋰電池即價格不菲。而且,與其它電池一樣,鋰電池最終會壽命耗盡。鋰電池能夠充電,卻不是無限次數,只是鋰電池的優點為「自放電率」(一種可減少電池儲存電荷的化學反應) 遠低於其它可充電電池,如鎳鎘電池和鎳氫電池。

根據史密森尼雜誌 (Smithsonian Magazine) 報導, 為改善這種電源,研究人員正在努力提高其在能源密度、價格、安全性、對環境的影響以及鋰電池的使用壽命等各方面優勢,同時並著手設計新型電池。

「鋰離子取代鉛酸電池有越來越多的實例是用於固定應用,如資料中心,」UL 固定和動力電池 (Stationery & Motive Batteries) 首席工程師 Laurie Florence表示。「UL 見到了這類設備在測試認證的提交數量增加。」

Florence 並補充,使用鋰離子電源,有諸多優點。「與之相關的維護工作較少。且這是一種高能源的技術,因此所佔用的空間更少。」

同時,鋰電池也更為輕便,這也是會被用在車輛的原因。Florence 繼續說明:其替換的需求為之更少,且能以更小的占地面積提供更多的能源。

減少對電網的依賴

鋰離子電源在高樓層建築中可能特別有用,因其有助於降低對電網的依賴。將太陽能光電發電與電池儲能配對,將有助於滿足主要電力需求,並能幫助減少化石燃料的使用量。

而且,鋰離子系統在大型結構中,使用方式何其之多!

在這當中的一個關鍵考量因素為,電力在一天中的某些時段非常昂貴,或者建築物會有使用大量能源的一段時期。在成本或需求高峰之際,即能採用儲存在電池組中的能量為建築物供電。

謹慎之舉

然而,另一個影響鋰成長潛力的因素為持續的安全問題。

鋰電池雖已是安全技術,但當發生故障時,仍可能帶來災難,因其賦有極大的能量。「如果您有在關注紐約市,會知道該市已計畫 2020 年全市達到 100 兆瓦時 (MWh) 的儲存目標,」致力消防安全的 UL 研究主管 Pravin Gandhi 說。「但是,隨政策的落實,地方當局,如消防部門和建築部門,有責任批核在建築物中安裝儲能電池產品。」

「整體而言,從電力容量的觀點,其實該產業尚未意識潛在的火災危害,」UL 消防研發團隊經理Bob Backstrom 如此表示。「他們並未考慮罕見的火災發生場合,可能會決定災難的潛在規模;以及此可能對建築物及居民產生什麼樣的影響?」

雖然鋰電池可提供更清潔的能源,但內在的電池結構卻遠具複雜性。鋰電池面臨的挑戰之一是「熱失控」── 這是由鋰離子化學反應天性所引發的連鎖反應。熱失控可能難以壓制,因為反應產生了額外的熱量,而這將導致迴圈加劇,直到電池內的反應劑耗盡。

「隨著化學反應的進行,溫度升高,化學反應會加速,」Gandhi 補充。「鋰電池可以讓溫度快速升高,特別是當安裝在這些大型系統中。」

方位的重要性

備用電源並不是新的概念。許多關鍵基礎設備皆會設下三種等級的電力:公用事業供應商、電池和燃氣發電機。而這個概念的新穎之處是電池儲能採用鉛酸以外的化學物質。「我們現在擁有一種電氣產品,其具有儲存大量電力的能力,」Backstrom 補充。「而且,這些電力容載系統多用於室外,但它們正向室內移轉。」

美國國家消防協會的標準即要求每個電池組與另一個電池組必須相隔三英呎,包括一個電池組和牆壁間也要有三英呎的間隔。

「我們不希望輻射招致周圍電池組的溫度升高,」前克利夫蘭消防局局長兼 UL 建築暨生命安全科技部的產業關係經理 Sean DeCrane 也補充。「一旦熱失控開始,就很難停止。消防單位希望能做到儘量防止熱失控傳播到其它電池組。即使這些系統與電源斷開連接,但其儲存的能量,也將讓回應者有極大疑慮,因此無論如何皆須妥善處理。」

此外,「熱環境」也會影響電池的性能。

如果環境溫度過低,可能導致在充電過程中形成樹枝狀鋰結晶;但若環境溫度過高,則會導致電解質分解和電極不穩定。

「當您的系統非常大時,對鋰電池模組的操作、機械和環境影響等理解是必要的,這十分重要且具高度挑戰,也是消防單位面臨的課題。」為推動儲能系統能在許多應用中廣泛採用,UL 已經開發出一套電池儲能系統標準,可利用數據和認證方案有效幫助產業和安全利益相關方。

「不僅受 UL 標準參用的研究會列入消防單位的培訓項目,還能指引法規和標準後續的合宜修改,」DeCrane 說明。我們的最終目標,無非是期望能讓鋰電池是在一套高度精密的標準和控制下使用。

「這需要一種多層次的安全方法,包括對電池芯和電池系統進行性能測試和認證;此外,還要能夠緩解任何裝置中可能發生的異常事件,」Gandhi 總結。


電池系列專文
《系列一》 這是一個鋰世界 ── 電池,它正在解放束縛
《系列二》 「鋰」內「鋰」外 ── 探索驅動日常設備的電力源
《系列三》繼續使用電網,鋰電池能用在災後重建

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