能源轉型大勢所趨，掌握碳中和儲能商機！一次搞懂什麼是碳中和、鋰電池、固態電池、燃料電池（07/12/2021 TechNews科技新報）

作者 姚 惠茹

聯合國在 1997 年 12 月通過京都議定書將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，以保護地球的生態系統。從那之後，碳排量就逐漸成為評估環境成本的一項重要指標。2015 年 12 月，各國在《巴黎協定》中承諾，在 2050~2100 年實現全球「碳中和」目標。

什麼是碳中和呢？

碳中和是「從環境中消除的碳排超過所排放的碳」。通常透過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節能減排等形式，來達到相對「零排放」。目前為止全世界已經有超過 50 個國家宣告在本世紀中葉達到碳中和，超過 100 個國家在政策中提及，2050 年是大部分國家設定的目標年。

分析碳中和商機，首先要來了解主要碳排產業，目前全球最大的碳排放產業是電力產業，其碳排放量佔全球碳排放量比重高達四成，而再生能源發電的比重近幾年來雖然持續增加，也約略佔三成左右，如扣除水力發電、地熱發電等，以風電及太陽能為主的再生能源佔比又僅有一成，富邦證券表示，未來持續增加風電與太陽能發電仍將是主要的發展趨勢。

車輛的二氧化碳排放佔全球碳排放量比重超過二成，因此未來電動車取代內燃機汽車的趨勢，將會加快進行，另外包含製造業的工廠與建築業等佔全球碳排放量也達到二成，因此將被迫更新其生產設備，降低排放量，中國及其他第三世界等地區，必須要淘汰高汙染高排碳的產能，建置更具效能且符合環保碳排規範的產能取代，否則其出口將會被先進國家課以碳稅。

從前面分析主要碳排來源，就可以知道為什麼再生能源和電動車會成為近年來的重要產業發展趨勢，然而電動車雖然不排放 CO2，但若使用的電力是火力發電，則會增加發電廠的碳排量，因此電力來源由火力發電轉為再生能源，再使用電動車才能真正達到減碳的效果。

富邦證券表示，由於再生能源如太陽能與風電都是屬於間歇性發電，受到日照時間與季節性風力強弱的影響，必須透過儲能系統，將再生能源發電做妥適的儲存應用，故儲能系統將在碳中和發展趨勢中，扮演著重要的關鍵角色。

近年來光電、風電產業快速崛起，因綠能發電具間歇性特質，尚需儲能系統搭配，才能避免再生能源受到天氣因素的波動影響供電，確保長期供電穩定，儲能系統市場規模因此快速成長，2018年全球儲能系統放電量 5,971 百萬瓦時，預估至 2024 年，全球儲能系統規模年複合成長率超過七成。

富邦證券指出，現階段全球儲能系統主要可分為三大類，機械能儲能、電化學儲能（鋰離子電池）及化學儲能（燃料電池）三大類，其中以電化學儲能為目前的市場主流，而化學儲能為近年備受市場期待的另一種儲能系統。

鋰離子電池

目前全世界車廠所生產的電動車，其儲能電池的應用種類，以「鋰離子電池」為市場應用主流，而再生能源儲能系統方面，也大部分同樣採用「鋰離子電池」，作為協助電網進行電力調節的輔助設備，例如特斯拉在各地建置超級充電站，就會利用到鋰電池儲能系統。

鋰電池材料中以正極材料最為重要，一般都是以鋰合金氧化物所構成，也是常聽到的三元鋰電池就是以鎳鈷錳等三種材料組成正極的鋰電池，另外常聽到的磷酸鋰鐵，也是正極材料的一種。負極材料目前多以石墨為主，未來會往矽負極來發展電解質現階段都是液態（膠狀），目前業界正積極開發固態電解質的鋰電池，作為下一世代鋰電池的發展方向。

固態電池

鋰電池為「液態電池」，其電解液為膠狀電解質，而液態電池性能容易受溫度高低影響，並有電解液外漏爆炸的風險，當前普遍使用的有機電解液存在爆炸等安全隱憂，已成為限制鋰離子電池發展的瓶頸，而固態電解質的重量較輕，只有液態鋰電池的一半、充電速度比鋰離子電池快，只要 10~15 分鐘，而且沒有腐蝕性的問題，壽命較長。

目前日本豐田、南韓三星、中國寧德時代、美國的 Quantum Scape（QS），德國的 Solid Power 與台灣輝能等公司業已開啟固態電池產業化進程，目前預估最快 2023~2025 年間，有可能量產車用固態電池。

燃料電池

燃料電池為一種將燃料（通常是氫氣）與氧化劑產生的化學能通過化學反應轉換成電能的儲能系統，通常又稱為氫能源，利用氫燃料的氧化作用，產生電力，沒有排碳，只有排水，若是將太陽光電或風力發電的電力來產製氫氣，產製後的氫氣可做為燃料電池的燃料來源。

藉由氫能載體整合各式再生能源，能平衡各類再生能源供電缺口或不穩定。富邦證券表示，現階段包含美國、日本、南韓、歐盟、澳洲及中國都積極發展燃料電池，企業界與日韓車廠也都努力開發各式產品應用。

富邦證券表示，2050 年是大部分國家設定的碳中和的目標年，降低碳排放量的碳中和商機，已經成為未來十年的重大商機，因此使用何種電池能達到安全又具效能的綠能發電儲能系統，將會是未來產業發展的重點，也值得投資人持續關注。

完整內容請見：
https://technews.tw/2021/07/12/carbon-neutral/

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台灣能源轉型進行式ing..... 【綠能科技聯合研發計畫】再生能源點亮創能、儲能應用大未來（05/18/2021 天下雜誌）

文: 台灣經濟研究院

創能技術開發著重提升綠色能源能量與降低成本

創能領域前瞻綠能技術開發配合發揮臺灣太陽光電與離岸風力等再生能源特色，透過提升電池模組效率趨動太陽光電成本下降，以及利用智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維，降低風場運維成本，以提升產業競爭力。

開發高效率、低成本、超輕量之太陽能電池技術

提升太陽能電池效率已刻不容緩，成功大學陳引幹教授團隊運用原子層沉積技術，沉積不同氧化物材料膜層於堆疊型太陽能電池中，以優化各膜層厚度、品質與材料純度等，進一步提升太陽能電池品質。中央大學許晉瑋教授與劉正毓教授團隊以軟性三五族太陽能電池收集室外光源，提供智慧模組(溫度感測器與藍芽)足夠電能回送電子訊號，朝向智慧模組「自我維持」前進。

在降低成本方面，大葉大學黃俊杰教授團隊利用非真空設備取代電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、用原子層沉積設備(ALD)以及銅漿料取代銀漿料達成低成本射極鈍化及背電極(PERC)太陽能電池開發。成功大學張桂豪副研究員與李文熙教授團隊創新製程置換太陽能鋁電極，以低成本空氣燒結銅電極應用於高效率雙面太陽能電池，將有效降低太陽能電池成本支出，增加產業獲利能力。

隨著太陽光電產能市場逐漸飽和，相關企業轉型尋求高效率與超輕量太陽能模組，以無人機應用為例，臺灣大學藍崇文教授團隊替無人機縫製出可以吸收太陽光轉成電力的衣裝，賦予偵查、通訊等任務。臺灣大學林清富教授團隊開發適合於固定翼無人機之輕量太陽能模組的大面積(30x150 cm2)太陽光模擬器，於宜蘭大學城南校區建置可供太陽能無人機測試起降與飛行場域。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能源為一種乾淨、能量密度高、環保零汙染、應用廣泛與取得容易的新能源，仿生電池即是透過模仿植物光合作用，為既能製氫又能發電的多功能太陽能系統。清華大學嚴大任教授團隊開發氫氣光電催化的催化劑由鉑金轉換為更具有普及性且兼具效能的材料，透過電漿子結構來強化二硫化鉬與日光光場交互作用，增加光能轉化為氫能的效率。中央大學王冠文教授團隊則建置高效穩定低成本之雙效產氫產電系統，利用其太陽能轉換再生電力進行光電催化分解水產氫並儲存，達到能源永續發展之概念。

智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維

面對臺灣附近海域高溫、高濕、多颱風與地震頻繁的特有地理環境，以及海上嚴苛條件，成功大學林大惠教授團隊開發離岸觀測塔風向定向系統，可降低量測成本、提高觀測準確性與量測效率，有助於離岸風場開發之海事工程量測。臺灣大學蔡進發教授團隊著重開發離岸風場運維大數據智慧平台，提供數據及開發各種量測技術，達到風機早期診治、早期預防功效，以期降低運維成本。

儲能技術開發著重高效能、高安全、具經濟性以支持各種儲能應用

隨著電力系統快速發展，電力儲存設備的布建應隨之增加其靈活度，以確保間歇性再生能源的儲存整合，促進電力供應端和儲存之間高效率的轉換。而儲能領域當中，又以先進二次電池與先進氫能為基礎核心發展項目。

開發高能量與高安全之固態電池技術

為進一步提升儲能電池安全與效率，全固態鋰電池已經成為研發主流。研究方向多針對電池正極、負極、以及電解質創新材料與設計，進一步提升能量密度需求與提高電池系統的總體能量。

正極材料方面，大同大學林正裕教授團隊開發具可量產層狀富鋰錳基正極材料合成技術，同時透過離子摻雜技術穩定其正極材料之晶體結構、改善材料的離子導電度，進而提升其電池穩定性及電容量。

負極材料方面，清華大學杜正恭教授團隊採用太陽能板製成切削的廢料矽，將此進行高值化做成鋰電池的負極材料，並用交聯反應開發矽負極黏結劑，以共沉澱法、自身氧化還原法進行正極材料開發參雜改質，提升鋰離子電池的循環壽命和快速充放電的能力。交通大學陳智教授團隊利用電鍍雙晶銅箔作為矽基負極材料的基板，配合富鎳層狀氧化物正極構成鋰電池，提升鋰電池的整體能量密度，提供各項裝置或載具更好的續航力。

電解質材料方面，明志科技大學楊純誠教授團隊主要開發鋰鑭鋯氧氧化物固態電解質，並將其應用在NCM811陰極材料上，最終組裝成鈕釦型及軟包型電池。成功大學方冠榮教授團隊開發高緻密性鈣鈦礦、橄欖石、石榴子石結構氧化物及硫化物電解質，以及具獨特性金屬、非金屬中介層，有效降低固態電解質/電極介面阻抗。臺灣科技大學王復民教授團隊研發固態電解質具環保水溶性，有低成本與綠色製程之特性，且能有效改善固體接觸的介面問題，可製備成高容量、輕量化與高性能二次電池。臺灣大學鄭如忠教授團隊深入探討高分子固態電解質，藉由合成改質方式可提供具彈性的高分子，進一步利用後調整加入鋰鹽的種類及添加劑，使研發的高分子固態電解質更符合商用規格。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能可作為重要儲能技術研發之原因，乃因其最終可實踐潔淨能源，提供眾多行業(如化工、鋼鐵重工及長途運輸等行業)有效脫碳方法，降低碳排放量，改善空氣品質並加強能源安全。且相對其他儲能系統，氫能另一大優勢為其電轉氣儲能系統有儲存量大以及放電時間長的特性。

行政院原子能委員會核能研究所長久以來專注於氫能領域。張鈞量博士團隊開發大氣電漿噴塗製備金屬支撐型固態氧化物燃料電池之可量產技術驗證，可進行大面積(10╳10 cm2)金屬支撐型固態氧化物燃料電池片之生產；余慶聰副研究員團隊利用新型產氫技術結合二氧化碳捕獲技術，使用低成本觸媒生產95%以上的氫氣，省去複雜的純化處理，大幅降低氫氣製造門檻；李瑞益研究員團隊則是著重於開發固態氧化物燃料電池發電系統，可直接將燃料如氫氣、瓦斯或天然氣轉換為電力，並將餘熱回收再利用，具有高能源轉換效率。

燃料電池方面，中央大學李勝偉教授團隊開發中低溫操作的陶瓷電化學儲能電池，所使用的關鍵電解質材料可使操作溫度降到400-700℃區間，且開發關鍵電解質、氫氣電極與空氣電極材料性能與微結構設計，利用靜電紡絲技術製作空氣電極材料奈米纖維，並成功與電解質相互整合，可提升單電池性能14.1%。

儲存氫氣方面，清華大學陳燦耀副教授與曾繁根教授團隊選擇碳材料進行儲氫研究，以零模板水熱碳化法合成出奈米碳球，最後輔以奈米金屬修飾產生之氫溢流效應(Spillover Effect)，提升氫氣吸附效能。

製造氫氣方面，臺北科技大學鄭智成教授團隊致力研發低成本、高穩定度、高效率之中溫固態氧化物電解電池電極材料，另外開發新型氨氣裂解觸媒技術，大幅改善現有氨裂解觸媒反應速率過慢之缺點。中興大學楊錫杭教授團隊則開發非貴金屬觸媒應用於水電解觸媒，以降低裝置成本，並且研發陰離子交換膜和膜電極組，使效率能有效提升。臺灣大學謝宗霖教授團隊發展具突破性之太陽能電解水產氫技術，以低成本、易量產、高效率的鈣鈦礦─矽晶疊層太陽能電池進行電解水產氫，並達到具競爭力之太陽能轉氫能效率水準(10-15%)。而臺灣科技大學胡蒨傑教授研發適於氫氣分離的複合薄膜，藉由熱力學與動力學的基礎理論調控薄膜成膜機制，開發高孔隙度且結構穩定的基材膜，結合優異特性的基材膜及選擇層。

綠色能量持續擴散，協助臺灣繼續邁進成為「亞洲綠能發展中心」

科技部「綠能科技聯合研發計畫」藉由學研界前瞻創新研發能量，推動新能源及再生能源之科技創新，進一步擴大產學研界連結之效益，積極延續科研成果落實產業應用，以期為我國綠能產業布建機會，並協助政府達成能源轉型，且透過綠能科技發展躍身國際舞台。

完整內容請見：
https://www.cw.com.tw/article/5114845

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過年期間與家中長輩閒聊時，

意外的發現其中一位長輩竟然是 Elon Musk 的狂熱粉絲。

除了心理非常崇拜 Elon Musk 的所作所為以外，她也會為 Elon Musk 感到擔心。

在聊天的過程中，長輩就有提到：

「我們在用的電池不都是固體的嗎？那個『固態電池』到底是什麼啊？為什麼會那麼紅？會威脅到特斯拉嗎？」

既然這些問題會是某些人的問題，那一定也會是另一些人的疑問。

所以今天就非常概略的跟大家分享一下，我所知道的固態電池。

(很簡略的寫，畢竟寫太長大家也不愛看)

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首先我們必須要了解電池的組成是什麼？

電池主要組成可以分為四個部分，

分別是陰極 (正極)、陽極 (負極)、隔離膜和電解液（圖一）。

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就目前使用在電動車上可穩定量產的鋰電池而言，

☘ 「陽極材料」通常較為統一，都是將鋰離子鑲在石墨 (碳) 的結構當中作為陽極。

☘ 而「陰極材料」種類就比較多了，

目前市場上常見的有鋰鈷、鋰鎳、鋰猛等金屬氧化物，

還有鎳鈷錳三元材料 和 能量密度較低的磷酸鋰鐵... 等。

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☘ 「電解液」的部分，目前大多是使用含有鋰離子的有機溶液 (液態) 為主。

不過這類「液態電解液」在電池遭遇穿刺或是短路時，容易會有漏液或是燃燒的情況發生，所以在安全性上會有些疑慮。

(目前市面上的電動車在出廠前都會經過政府嚴謹的審查，所以大家也不用過度擔心鋰電池的安全性)

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然而所謂的『固態電池』，就是將傳統鋰電池中「液態電解液」的部分改為固體電解質。

目前常見的固態電解質材料，大致可分為兩類：

☘ 聚合物，可以想成是塑膠 (有機電解質)。

☘ 陶瓷，硫化物、氧化物 (無機電解質)。

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那這樣做有什麼優點呢？

一、提高安全性：固態電解質通常不可燃、不揮發、不腐蝕，更無洩漏的問題。
二、提升能量密度
三、可承受較高的工作溫度
四、生產效率提升：不需去封裝液體。

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乍聽之下固態電池似乎很美好，擁有許多優點，

不過事實上，固態電池目前不管是在製造上還是材料上，都仍面臨許多待突破的難題。

像是：

☘ 固態電解質的內阻過大，導致充電速度較慢；

☘ 固態電解質與電極間的界面阻抗過大；

☘ 固態隔離膜無法承受長時間的大電流；

☘ 電池壽命過短...等問題。

更最重要的是，目前固態電池的生產成本仍然過高，難以和傳統的鋰電池競爭。

在留言中會附上「輝能固態電池的槍擊測試」影片，有興趣的人可以去看看。

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簡單來說，固態電池確實是一項非常令人期待的新技術，非常有可能會成為未來的趨勢！

但你說短期會不會威脅到特斯拉在電動車的地位？

我認為是不太可能。

原因很簡單，因為目前成功研發出多層固態電池的公司全球可能不超過五間，更遑論要量產可商用的固態電池。

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不過話又說回來，固態電池現在沒辦法量產，

並不代表他就是個不會上漲的股票。

恰恰相反，在這個賣夢的時代裡，有夢賣往往才是最香的。

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講這麼多，我就是想知道 QuantumScape (QS) 會不會再次香起來？

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