【能源五分鐘】從鋰電池到固態電池，一次看懂電池技術
隨著 AI 資料中心快速發展、再生能源占比持續提升，如何將多餘電力儲存起來，並在需要時穩定釋放，成為現代電網的重要課題。儲能系統除了能協助穩定電壓、平衡供需，也能在停電或電力異常時提供備援電力，逐漸成為能源轉型的重要基礎設施。
有趣的是，儲能技術範圍相當廣，包括電化學儲能、機械儲能、熱儲能及氫能儲能等。其中，電池儲能因具備部署速度快、反應時間短、可模組化建置等優勢，已成為目前最受關注的技術路線，也是電動車與大型儲能系統最主要的核心技術。
電池是怎麼儲存電和放電？
一顆電池主要由正極、負極、電解質及隔離膜組成，其中正極與負極分別儲存不同的活性材料，電解質負責讓離子在兩極之間移動，隔離膜則避免正負極直接接觸造成短路。當電池充放電時，透過電化學反應將化學能與電能相互轉換，完成能量的儲存與釋放。
（Source：Kaist）
不同電池技術最大的差異，主要來自正極材料、電解質及整體結構設計。其中，正極材料通常決定電池的能量密度、成本、安全性及循環壽命；負極目前多以石墨為主，部分新一代電池則開始導入矽基負極或鋰金屬負極，以進一步提升性能。
鋰電池三巨頭：三元鋰、磷酸鐵鋰與磷酸錳鐵鋰
鋰離子電池（Lithium-ion Battery），也就是一般俗稱的鋰電池，是目前最成熟、應用最廣泛的充電電池技術。從智慧型手機、筆記型電腦、平板，到近年快速崛起的電動車及大型儲能系統，都能看到鋰離子電池的身影。
不過，鋰離子電池並不是單一技術，而是一大類電池家族，依照正極材料不同，又可分為三元鋰電池（如 NCM 或 NCP）、磷酸鐵鋰電池（LFP）及磷酸錳鐵鋰電池（LMFP）等。雖然三者都屬於鋰離子電池，但因採用不同的正極材料，因此在能量密度、安全性、成本及循環壽命上也各有特色。
其中，三元鋰電池常見路線主要為 NCM 為例，正極由鎳、錳及鈷組成，最大的優勢是能量密度高，可在相同體積與重量下提供更長續航，因此長期成為高階電動車的重要選擇。
不過，三元鋰電池也有成本較高、熱穩定性較低，以及部分關鍵金屬供應受地緣政治影響等挑戰。對電動車而言，能量密度十分重要，但對大型儲能系統來說，重量與體積並非首要考量，因此三元鋰電池並非目前電網儲能的主流。
相較之下，磷酸鐵鋰電池（LFP）近年已成為大型儲能系統的主流技術。LFP 使用鐵與磷作為正極材料，不含鎳、鈷等成本較高的金屬，因此具有成本低、安全性高及循環壽命長等優勢。
雖然 LFP 的能量密度略低於三元鋰電池，但由於大型儲能櫃並不受重量限制，因此更重視長時間運轉下的安全性、使用壽命及整體成本，也讓 LFP 成為目前全球大型儲能案場最具代表性的電池技術。
另一項近年備受矚目的技術則是磷酸錳鐵鋰電池（LMFP）。LMFP 可視為 LFP 的升級版本，透過加入錳元素，提高工作電壓與能量密度，希望在保有 LFP 安全性及低成本優勢的同時，補足能量密度不足的缺點。
目前 LMFP 仍面臨材料穩定性、導電性及量產一致性等挑戰。
固態電池為何受矚目？安全與續航成最大賣點
除了現有的鋰離子電池家族外，固態電池（Solid-state Battery）也是近年最受矚目的下一代電池技術。
與傳統鋰離子電池使用液態電解液不同，固態電池改採固態電解質，理論上可降低漏液及熱失控風險，並有機會搭配鋰金屬負極，進一步提升能量密度與充電速度，因此被視為未來電動車的重要發展方向。
（Source：Britannica）
不過，固態電池仍面臨量產成本高、界面阻抗、循環壽命及製程良率等挑戰，因此短期內仍將優先應用於高階電動車、航太及高能量密度產品，尚未立即取代 LFP 成為大型儲能系統的主流。
（首圖來源：shutterstock）