能源轉型正在一步一腳印地向前邁進之中 -- 加油站OUT加電站IN，工研院帶你揭「水系電池」 之“釩液流循環電池儲能系統”的神秘面紗..... （03/16/2020 蘋果日報）

工研院團隊正和中油公司聯手打造全國第一間智慧綠能加油、充電站。

（突發中心黃羿馨／新竹報導）台灣近年來積極推動再生能源政策，但太陽能、風力等「綠電」來源時間有限，要如何將這些綠能安全、穩定的儲存起來，並能24小時源源不絕供應成為重要課題。

工研院最新研發一種「水系」的釩液流循環電池儲能系統，不但具有適合長時間儲存特性，且因其安全、壽命長優點，非常適合做為定置型儲能設備，現階段除了和日本昭和電工簽署合作備忘錄外，也和中油公司聯手打造一間智慧綠能的「加電站(加油外亦能充電)」，為國內儲能產業開創新的里程碑。

釩液流電池幕後重要推手工研院綠能所組長張文昇，本身是化學背景出身，從2015年起，就與台灣電力公司綜合研究所合作開發「全釩液流儲能系統」，並於2016年完成全台第一個本土化全釩液流電池儲電系統，為台電的「綠能生態園區」提供穩定的儲電系統。

談起背後的辛苦，張文昇說，由於釩液流電池不同於一般常見電池，是將能量儲存於流動式的電解質中，而系統的心臟—也就是電池組，在設計上首要考慮就是避免「滲漏」的問題，以及如何讓液體流動平順，加上為了要改善電池體積大、笨重的問題，因此花了很多時間在電堆設計、材料、改質、密封以及操作控制上，團隊從2009年起至今，至少花了11年的時間改良、設計與測試，才走到今天這一步。

釩液流電池是以化學能的方式儲存在不同價態釩離子水溶液中，跟一般電池不一樣的地方在於，它是透過泵浦循環釩離子水溶液，經過碳電極後使釩離子的氧化價數轉變，藉此釋放與儲存能量，達到電化學儲能之功效。

由於本身沒有材料結構或是組成成分變化，只是簡單的氧化還原反應，因此不但安全性高，貴重的電解質材料也幾乎可以百分之百回收，能量效率更可達80%以上，比起同樣是水系的鉛酸電池，壽命更可長達10年以上。

此外，釩液流電池能儲存的能量，可隨著電解液槽體來擴充，也因其容易隨使用情境改變且壽命長的特點，未來可應用在電動車輛充電以及加油站自給自足使用上。

由於再生能源如太陽能、風力發電都屬間歇性綠電，釩液流電池更具有長時間儲存的優點，能將這些綠電儲存起來，未來就可以24小時源源不絕提供綠電，且也因兼具調解電力優點，讓再生能源輸出更穩定。

張文昇表示，目前工研院綠能所已和日本昭和電工合作投入「新型態全釩液流電池系統」研究，將透過改善全釩液流電池的電堆方式，大幅提升電池效率，未來可直接應用於電網儲能、離網電力、工業儲能、供電站等系統，現階段工研院已和中油公司，聯手打造一間智慧綠能加油站，為電動車等設備提供充電場所，未來加油站也有望成為加電站，帶動能源大革命。

釩液流電池小檔案：

原理：利用過渡金屬釩元素的多種氧化還原特性，透過泵浦循環含釩離子之水溶液，使釩離子經過碳電極，藉由釩離子的氧化價數轉變釋放或儲存能量，達到電化學儲能之功效。

特性：材料容易回收，儲存的能量，可隨著電解液槽體來擴充，較一般鋰電池安全、比鉛酸電池壽命長。

應用：電網儲能、離網電力、工業儲能、供電站等系統。

（資料來源：工研院提供）

完整內容請見：
https://tw.appledaily.com/new/realtime/20200316/1715166

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30歲轉行是失敗者？97歲諾獎得主的一生

誰說改變世界的都是年輕人？

今年的諾貝爾化學獎獲得者John B. Goodenough以他的傳奇經歷給出了答案。30歲入行，年過半百才正式研究電池材料，97歲時收穫諾獎，依舊活躍在科研一線。

今天與大家分享他的勵志故事。

來源丨量子位（ID：QbitAI）

97歲，他還奮戰在科研一線。

John B. Goodenough，人稱“足夠好”老爺爺，近日加冕諾貝爾獎。

10月9日，2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。

Goodenough與M. Stanley Whittingham，以及日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）共用了這一獎項。

以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。

諾貝爾評獎委員會稱，三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定，從而開啟了電子設備便攜化進程，為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。

引用果殼更科普化的解釋，如果沒有他們，我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。

而且Goodenough今年加冕，也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡，成為最年長的諾貝爾獎得主。

在此之外，他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員，撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫，是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主，還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。

但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。

當他獲獎，外界關注他的履歷，才發現其充滿坎坷和跌宕的一生，簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生，勵志的一生。

很難想像，這位鋰電池之父患有閱讀障礙症，成長家庭並不和睦，大學歷經二戰，30歲才拿下博士學位，年過半百才正式研究電池材料。

之後一路開掛，58歲發明鈷酸鋰電池改變世界，75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界，90歲以後開始研究全固態電池。

至今如此高齡，依舊每週上班5天，仍舊有新研究成果問世。

如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑，一定要看看Goodenough這傳奇的一生。

┃如何成為鋰電池之父？

我們先從Goodenough如今成名作說起，看看他的科研之路。

Goodenough的博士本身讀的是固態物理，30歲從芝加哥大學博士畢業，之後去了MIT林肯實驗室，研究記憶體的材料物理和固態陶瓷。

24年之後，Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。

那年，牛津大學需要一位能教無機化學，同時也能管實驗室的教授。

Goodenough雖然研究的是物理，但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課，就因此意外的被選中了，進入牛津大學任教，並成為無機化學研究負責人。

正是這一次跳槽，讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。

Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國，英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池，借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性，用二硫化鈦做正極，用鋰做負極。

當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池，雖然已經有了可充電的鉛酸電池，但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那麼笨重，是沒法拿來做消費電子產品的。

而Whittingham的這項研究，不僅可以靠鋰離子的運動進行充電，還能用在小型設備上，並在室溫下運行，解決了兩種電池的痛點。

但Whittingham的研究是沒法直接用的，因為有一個大bug：安全問題。

正極，二硫化鈦，在空氣中是非常不穩定；

負極，鋰，這種金屬是易燃；

而且，在充放電過程中，鋰會快速沉積產生枝晶，這樣就容易讓電池短路，這也是現在電動車自燃的元兇之一。

所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行，但容易爆炸，是個危險品，完全沒法應用，需要把正負極的材料都換掉才行。

這個時候，學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法：把鋰換成氧化物吧。

他判斷，氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電，根據物理學原理，這種電池會產生更多的電量，並且揮發性會更小。

於是他測試了各種氧化物，發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。

終於，在Goodenough到達牛津的四年後的1980年，57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質，讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。

在他的實驗室外面，英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子，紀念鈷酸鋰的發現。

不過，鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的，鈷酸鋰在電池裡是一種正極材料，為了湊成一塊電池，還需要找一種負極材料。

這個時候，日本的索尼出現了，他們發現了石墨可以拿來做負極材料。

然而在英國，因為此前發生過爆炸事故，大家聞鋰電池色變，甚至Goodenough工作的牛津都不願意幫忙申請專利，而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利，後來被索尼買走。

於是，索尼成功接下了這個“燙手山芋”，並和自己研發的負極材料放在一起，創造了新的電池，並將之商業化，用在了各種各樣的電子產品中。

而Goodenough，甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定：“我當時並不知道它會值這麼多錢。”

雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰，但Goodenough似乎就是一個耐久型選手，後來還發現了許多種電池材料：1983年，61歲的他發現錳尖晶石正極材料；1997年，75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料，這些都是電池正極的升級替代品。

甚至，為了持續做研究，他還打了牛津退休政策的擦邊球。

本來，牛津大學要求65歲強制退休的，但Goodenough不想退休，於是他在64歲的時候又跳槽了。

這次，他回到了美國，在德州大學奧斯丁分校當機械工程和材料科學教授，繼續做研究。


┃閱讀障礙症患者，文學少年讀物理PhD

Goodenough出生於1922年，這是一個科學蓬勃發展的時代。

在這一年，法國醫生卡雷爾發現白血球，加拿大科學家班廷製成人造胰島素。

波爾因關於原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。

之後，費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。

兒時的Goodenough，雖然家就在耶魯附近，不過出生在了一個學文科的家庭，似乎離這些自然科學家們有些距離。

但數十年後，他也將成為他們中的一員。

當時，擺在他面前的，是怎麼克服自己的閱讀障礙症。因為閱讀障礙症，在小學和中學時代，他受到了不少同學的戲弄。

但在求學過程中，他也慢慢從大自然，以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量，贏得了學校的獎學金。

1940年，18歲的Goodenough考入了耶魯大學。

對於他來說，這種對家庭的逃離讓他松了口氣，因為他父母關係並不好。

就在考入耶魯大學之前，他的父母離婚了。他父親（歷史教授）很快就與自己的研究助手成婚。

這個環境讓他頗感壓抑，而且他與自己父親的關係並不怎麼好。

他去耶魯讀書的時候，只從家裡拿到了35美元的資助，而耶魯的學費至少每年900美元。

好在他有獎學金，校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教，靠著半工半讀養活自己，他再也沒問家裡要一分錢。

用Goodenough的原話說，就是“每週工作21個小時掙自己的21頓飯。”

進入耶魯之後，Goodenough還是遵循著自己的興趣，先是選了古典文學，後來轉到了哲學，期間還學習過化學。

之後，在一名教授的建議下選擇了數學專業，並堅持了下去。
但這一路也頗為坎坷，就在讀大學的第二年，珍珠港事件爆發了。

Goodenough選擇了主動申請服役，三年後才回到耶魯大學完成了學業。

畢業之後，他再度返回戰場，加入了美國空軍。

本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊，中途被數學老師叫去說“不要當大兵，我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”，於是沒有上前線，而是負責在一個太平洋的海島上收集資料。

1946年，Goodenough迎來了命運的轉折。當時，美國政府出資，選派軍人去深造，獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列，他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。

經過重重考慮，他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。

之前就想過考物理研究生，但被管學生註冊的人告知，物理學裡所有厲害的東西，人家在你這個年紀都已經搞完了，你現在才想著開始啊？

最終，他還是考上了芝大物理系，當時是恩裡克·費米在管，據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試，每天8小時，連考4天。

第一次考掛了，於是又考了第二次才過，總計64小時。

其後師從著名物理學家齊納，他30歲時發明齊納二極體。

在芝加哥這幾年，他主要的研究固態物理學，並打下了堅實的理論基礎，對於自己人生方向也有了新的思考。

在他求學期間，齊納也給他提供了很大的幫助，他曾對Goodenough說：“你有兩個問題，第一個問題是找到問題，第二個問題是解決問題……”

這一理念，對Goodenough產生了很大的影響。

30歲獲得物理學博士學位之後，經過在MIT的工作以及自身的理解，在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料，並一直堅持了下去。

┃還能再戰，不想退休等死

直到現在，他還在科研一線繼續解決“問題”。

2018年，Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題，他說：

“我想解決汽車的問題，我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天，我今年 96 歲，還有時間。”

而且，解決問題並不僅僅只是靠口號。

Goodenough仍舊活躍在科研前線，就在最近，他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。

並仍舊有作品發表，比如這篇：

J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.
（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607 ）

就在幾個月前，他還在採訪中說：

我不想退休等死，我想努力奮鬥，我相信我們正在做的事情是非常重要的。

這些重要的事情有很多，比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料，以降低電池的成本。

再比如，如何用金屬鋰做正極，製造出更強大的電池。

還有電解質方面，Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。

據說，“足夠好”老先生現在依舊精力充沛，有人在知乎上回答說，整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。

嗯，足夠好，還會更好。

#電源設計 #電池充電 #降壓—升壓型電池充電器

【供應電壓大不同？萬用充電器就能搞定】

電源是電子產品的生命，然由於各種產品的電池組成與額定電壓不盡相同、充電的輸入電壓範圍大，有時會低於或高於輸出電池的負載電壓；為了適於替各種化學電池充電並接受各式電源輸入，電池須同時具備升壓及降壓的能力。凌力爾特 (Linear) LTC4020 降壓—升壓型電池充電器可在 4.5V～55V 的輸入範圍內運作，並產生高達 55V 的輸出電壓；由一個「降壓—升壓型 DC/DC 控制器」和一個「PowerPath」電池充電器組成，專為多種電池化學組成而優化。

LTC4020具有許多特點，包括：PowerPath 即時接通、基於定時器的充電、電池溫度監視、用於高阻抗電源的輸入電壓調節、充電狀態和故障報告，是一款通用的高電壓、高效率降壓—升壓型電源控制晶片。它採用四開關降壓—升壓型轉換器，只需一個電感轉換器的輸出直接連到系統負載，且能同時為電池充電。最大充電電流可藉由採樣電阻進行監測和調節，用戶可自行選擇在充電通路上加一個「場效應管」，以便在需要時將輸出電池與系統負載分開。

LTC4020適用於汽車電池、12V～24V軍工業／醫療用電源或太陽能板，採用三種充電模式，針對不同電池類型最佳化：
—對鋰電池可選擇恆流、恆壓充電模式，既可採用1/10電流，也可定時以終止充電；
—鉛酸電池可用優化的四步三級充電模式；
—帶定時功能的恆流充電。

它採用平均電流型控制，抗干擾能力強，電感平均電流透過輸入部分的兩個採樣電阻進行監測，能在系統負載供電的同時，為電池充電。充電過程中，充電通路場效應管絕大部分時間皆在開通狀態，阻抗很低。將電池和轉換器輸出連接在一起，對於過度放電而電壓很低的電池，LTC4020會自動將充電通路場效應管設置為一個線性穩壓器，以允許降壓—升壓型轉換器輸出；當高於電池電壓時，仍然能夠充電，該功能被稱為「即時開通」。

只要輸入電源具備，轉換器能立即提供高於電池電壓的輸出。在非充電狀態下，LTC4020自動將充電通路場效應管設置為一個理想二極管，如此電池與轉換器輸出是斷開的；然而一旦系統負載電流超過轉換器的最大供電能力，額外功率馬上能由電池通過該理想二極管，高效提供給負載。詳細工作原理如影片連結所示。

延伸閱讀：《Linear：高效率降壓—升壓型電池充電器》
http://www.compotechasia.com/a/CTOV/2015/1103/30397.html…
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#凌力爾特Linear #LTC4020

圖檔取材：pixabay.com