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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斯科特阿林隕石☄️

(隕石斯科特阿林)這個也是人類親眼目睹的隕石事件

在1947/2/12 在隕石的秋天的前蘇聯符拉迪沃斯托克 (符拉迪沃斯托克) 天體爆炸斯科特阿林隕石秋天事件發生在超過 440 公里東北斯科特阿林山脈。
大事和斯科特阿林爆炸稱為俄羅斯，已成為一個紀念戳。

符拉迪沃斯托克 (符拉迪沃斯托克) 附近 Paseka 村 (Paseka，北緯 46 ° 9.6 分，東經 134 度 39.2 分) 爆炸的中心是 440 公里東北 Sikhote-alin 山地區的 1.3 平方公里橢圓形覆蓋的隕石碎片，一些碎片發現製作一個隕石坑是最大的隕石坑直徑 26 米，6 米的深度。

從軌道後乘從目擊者蘇聯科學院研究，這個火球是小行星，在橢圓軌道上繞太陽，原來，遠日點 (離最遠的太陽位置) 達成的小行星帶，變得明顯。

大爆炸，散入地球大氣層之前撞到地面，並推定此小行星撞擊地球在 14 公里 / 秒;

脫落的碎片有兩個元件。
一個是從熔融 (表面熔化在重返大氣層時氣動加熱和蒸發它) 表面溶解完全早就乾裂了流星體，下落的大氣事似乎是。

它是塊碎片，在秋天期間空氣中散大，似乎是破碎與地面相撞。 後者由於爆炸的結果大部分發生在地球 5.6 公里流星體和已。

元件的 Sikhote-alin 隕石紋理粗糙鐵隕石 (八面體隕鐵鐵和鎳合金)。

鐵超過 93%，5.9%鎳，鈷 0.42%、 0.46%磷、 硫 0.28%，少量的鍺和銥。
此外包括礦物紋石 (紋石)、 緊迫 (目視)、 拉維茨 (rhabites)、 隕硫鐵 (耶礦石，隕硫鐵)、 鉻鐵礦 (鐵鉻礦石、 鉻鐵礦) 和錐紋石 (錐紋石)，施賴弗網站 (鐵石) 晶體。

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二次鋰離子電池簡介及常見分類

可充電式二次鋰離子電池是一種由正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼所組成的電能儲存及釋放裝置，具有體積/質量能量密度大、工作電壓高、自放電效率低、無記憶效應等優點，已被廣泛應用於消費類電子產品中，亦開始大量使用在油電混和動力及純電驅動的汽機車上

正極材料：採用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳(NCM)/鎳鈷鋁(NCA)三元材料、磷酸鋰鐵等，正極材料直接影響鋰電池標稱電壓、充放電性能、能量密度等主要特性，其反應為放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌
負極材料：多採用石墨(鈦酸鋰電池的負極材料為鈦酸鋰)，其反應為放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入
隔膜：把正負極分隔開來，防止接觸短路
電解質/液：鋰鹽(六氟磷酸鋰)+溶劑的電解質溶液，鋰聚合物電池則採用膠狀/固態的聚合物材料取代液態溶劑，鋰離子可在電解質/液內移動並穿過隔膜以完成充放電反應

隨著應用領域的不斷擴展，對鋰離子電池的性能及安全要求也越來越高，使用者期待的理想型電池應具備安全、容量大、充電快、長壽、便宜等條件。然而魚與熊掌不可兼得，現有的二次鋰離子電池的主要性能指標是充放電倍率性能、能量密度、循環壽命、安全穩定性、運作溫度範圍、價格。當想要提高單一個指標時，其他的指標相對來說都會受到影響或減損。只有各項性能指標均衡的電池，才能適應更廣泛的使用環境，並在確保使用安全的同時，降低成本，提升效率，才能成為市場主流

三元鋰

三元鋰電池是指使用三元材料做為正極，石墨作為負極的鋰電池。正極三元材料內所含的鎳+鈷+錳 (NCM)或鎳+鈷+鋁(NCA)三種金屬材料比例可在一定範圍內調整，並且其性能隨著比例的不同而變化。鎳的作用是提升能量密度；鈷的作用是提升穩定性，並提高循環壽命和倍率性能；錳或鋁也有提高電池安全性及穩定性的作用

三元鋰電池正極材料分解溫度在200℃左右，分解時會產生劇烈化學反應產生更多熱量，熱量快速累積最後會導致熱失控，使用三元鋰電池時有較高的監控管理要求，使其可以工作在安全狀態下

特性：
1.標稱電壓：3.7V/3.8V
2.正極材料：鋰與NCM(鎳+鈷+錳)或NCA(鎳+鈷+鋁)三種金屬材料合金氧化物
3.負極材料：石墨
優點：
1.能量密度高，相同體積/重量的電池可攜帶的電能(Wh)最多
2.放電平台標稱電壓高
缺點：
1.安全性較差，無法承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，將會導致起火及爆炸
2.耐高溫/熱穩定特性較差，高溫下容易導致熱失控，需要充足的管理措施，避免電池過熱發生危險
3.循環次數較少，壽命較短
4.製作正極材料需使用鎳/鈷/錳等重金屬，鈷的礦產資源有限價格高，且不落實回收會造成環境汙染

磷酸鋰鐵

磷酸鋰鐵電池是指用磷酸鋰鐵作為正極，石墨作為負極的鋰離子電池，製作磷酸鋰鐵正極材料不會涉及到鎳、鈷等金屬資源，相較於鈷，鐵與磷在地球資源含量十分豐富，原料成本較低。比起三元鋰，磷酸鋰鐵電池具有耐高溫特性，更好的安全穩定性，更長循環壽命的優勢

特性：
1.標稱電壓：3.2V/3.3V
2.正極材料：磷酸鋰鐵(LiFePO4)
3.負極材料：石墨
優點：
1.比起三元鋰，磷酸鋰鐵的循環次數較多，壽命較長
2.比起三元鋰，磷酸鋰鐵穩定性及安全性較高，即使發生劇烈碰撞/物理破壞/過充/短路也不會導致爆炸
2.功率密度大，可承受高倍率充放電
3.耐高溫特性好，於高溫環境下仍可釋放100%容量，正極材料的分解溫度高，不易出現熱失控
4.製造時沒有使用高單價重金屬鈷，材料成本低，並符合歐洲RoHS規定，為綠色環保電池
缺點：
1.比起三元鋰，同體積/重量的磷酸鋰鐵能量密度較低
2.在低溫環境下，放電能力及可用容量均明顯下降
3.品質不佳的電池，串聯組合使用一段時間後，電池單體電壓一致性差異會加大

鈦酸鋰

鈦酸鋰電池是把原本石墨負極材料用鈦酸鋰取代，並與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極所組成的二次鋰離子電池。鈦酸鋰本身不能提供鋰源，只能與含鋰的材料搭配使用，雖然也有鈦酸鋰正極材料，金屬鋰/鋰合金負極材料的組成方式，但普遍所稱呼的鈦酸鋰電池是指採用鈦酸鋰負極材料的二次鋰離子電池

石墨材料在充放電過程中鋰離子會反覆嵌入/脫嵌，使體積發生變化及材料變形導致整體循環性能變差。鈦酸鋰在充放電中鋰離子嵌入/脫嵌不會影響其材料的結構，所以鈦酸鋰被稱為”零應變材料”。這種”零應變”性質避免充放電過程導致材料結構發生變化，可提高電池的循環性能，減少容量衰減並延長使用壽命。與三元鋰/磷酸鋰鐵電池相比，鈦酸鋰電池在循環壽命的表現有明顯優勢

石墨負極會在與電解質/液接觸的介面上形成一層SEI膜(Solid Electrolyte Interface，固體電解質介面膜)，造成電池首次充放電效率較低，消耗較多鋰離子導致不可逆容量較大，長期循環使用容易形成鋰枝晶造成電池內部短路影響使用安全。與石墨負極材料相比，鈦酸鋰不容易產生SEI膜，表面也難以生成鋰枝晶，可避免電池內部短路影響使用安全

特性：
1.標稱電壓：2.3V/2.4V(採用錳酸鋰正極時)
2.正極材料：常見為鈷酸鋰或錳酸鋰，也可以用三元鋰/磷酸鋰鐵等
3.負極材料：鈦酸鋰(LTO)
優點：
1.安全穩定性好，可承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，而不起火或爆炸
2.鈦酸鋰具有較高的鋰離子化學擴散係數，功率密度高，可承受大倍率充放電
3.循環次數最多，壽命長
4.耐溫度範圍廣(-50℃至+60℃)，可在低溫及高溫環境下正常充放電
缺點：
1.相較三元鋰/磷酸鋰鐵電池，同體積/重量的鈦酸鋰電池能量密度是最低的
2.負極材料製造需要金屬鈦，原料及生產成本高，也十分要求製造技術水準，導致鈦酸鋰電池單價高
3.鈦酸鋰電池因負極不容易產生SEI膜，鈦酸鋰會催化電解液分解產生氣體，產生脹氣問題，導致性能下降，壽命縮短及影響安全性，需要從材料(電解液)、設計(鈦酸鋰表面包覆奈米碳)及製造(減少材料雜質，控制製造環境濕度)上改進以有效抑制脹氣
4.品質不佳的鈦酸鋰電池一致性存在差異，隨著充放電次數的增加電池一致性差異會逐漸增大

無論何種二次鋰電池單體，當組成電池組(Battery Pack)時，必須要有穩固且同時考量到電池散熱的阻燃式固定結構(可避免電池承受震動衝擊受損或是過度擁擠造成散熱不良)，電池單體之間以及正負輸出端牢固且低阻抗的連接方式(可避免造成大電流傳輸阻抗及接觸不良產生火花)，電池組透過內建BMS(電池管理系統)/BMU(電池管理單元)/VTM(電壓溫度監控)來針對串並聯組合的複數單體進行單體電壓、電池組電壓、電池組電流、電池組溫度進行管理及監控，避免因電壓/電流/溫度異常而導致使用上的風險

鋼鐵人的盔甲材料不是鋼也不是鐵？蟻人的盔甲沒做好可能會變原子彈？
前情提要先看《🔬實驗科學吧》EP1：https://youtu.be/qx2v9hWM-Ow
　
鈦Ti，因為在各種極嚴環境下都扛得住，常常被拿來做飛機與太空船，美譽『太空金屬』！各超級英雄電影的盔甲材料當然也不會放過他，究竟是怎樣的鈦狂鈦神鈦厲害，讓我們看下去！
　
#結果三大狠招都狠不起來
#還是要薩諾斯來揍幾拳比較有效
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《🔬實驗科學吧》
＿臺灣吧2018「大抓周計畫」節目！
藉由電影或漫畫中，各種超乎尋常又驚奇的劇情，探討是否真的有科學的依據及基礎應用！將有5集動畫影片介紹原理、5集實拍影片實際做實驗！
EP1－蟻人怎麼變小：https://youtu.be/qx2v9hWM-Ow
EP2－侏羅紀世界：9/3(一)
預告片：https://youtu.be/sFNdA8wxyMk
EP0.5－蟻人量子糾纏：https://youtu.be/p0ntjrzuiDk
　
特別感謝：LiFe生活化學 提供實驗相關協助
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本集關鍵字：蟻人、鈦合金、不鏽鋼、鋁、熔點、航太器具、液壓機、耐蝕、氫氧化鉀、鹽酸、鎳鉻鐵鈷鎳錫鉛氫銅汞銀鉑金、鐵姑娘惜千金總共一百斤